Em busca de maneiras de melhorar a eficiência das empresas do setor de energia, bem como de outras instalações industriais que utilizam equipamentos que queimam combustíveis fósseis (vapor, caldeiras de água quente, fornos de processo etc.), a questão do uso do potencial dos gases de combustão não é levantada em primeiro lugar.
Enquanto isso, com base nos padrões de cálculo existentes desenvolvidos décadas atrás e nos padrões estabelecidos para a escolha de indicadores-chave de desempenho para esses equipamentos, as organizações operacionais perdem dinheiro literalmente deixando-as entrar no tubo, piorando simultaneamente a situação ambiental global.
Se, como a equipe do
Primeiro Engenheiro , você acha errado perder a oportunidade de cuidar do meio ambiente e da saúde dos habitantes de sua cidade em benefício do orçamento da empresa, leia o artigo sobre como transformar gases de combustão em energia.
Padrões de aprendizagem
O principal parâmetro que determina a eficiência da unidade da caldeira é a temperatura dos gases de combustão. O calor perdido com gases de combustão compõe uma parte significativa de todas as perdas de calor (junto com as perdas por queima química e mecânica do combustível, perdas por calor físico da escória e vazamento de calor no ambiente devido ao resfriamento externo). Essas perdas têm uma influência decisiva na eficiência da caldeira, reduzindo sua eficiência. Assim, entendemos que quanto menor a temperatura dos gases de combustão, maior a eficiência da caldeira.
A temperatura ideal dos gases de escape para diferentes tipos de combustível e os parâmetros operacionais da caldeira são determinados com base em cálculos técnicos e econômicos no estágio inicial de sua criação. Ao mesmo tempo, o uso útil máximo do calor dos gases de escape é tradicionalmente alcançado aumentando o tamanho das superfícies de aquecimento convectivas, bem como o desenvolvimento de superfícies da cauda - economizadores de água, aquecedores de ar regenerativos.
Porém, apesar da introdução de tecnologias e equipamentos para a recuperação de calor mais completa, a temperatura dos gases de combustão, de acordo com a documentação regulatória atual, deve estar na faixa de:
- 120-180 ° para caldeiras a combustível sólido (dependendo da umidade do combustível e dos parâmetros operacionais da caldeira),
- 120-160 ° para caldeiras a óleo combustível (dependendo do seu teor de enxofre),
- 120-130 ° C para caldeiras a gás natural.
Os valores indicados são determinados levando em consideração os fatores de segurança ambiental, mas antes de tudo, com base nos requisitos de operabilidade e durabilidade do equipamento.
Assim, o limiar mínimo é definido de forma a eliminar o risco de condensação na parte convectiva da caldeira e mais adiante no caminho (nas chaminés e chaminés). No entanto, para evitar a corrosão, não é necessário sacrificar o calor que é emitido para a atmosfera em vez de fazer um trabalho útil.
Corrosão Eliminar riscos
Não argumentamos que a corrosão é um fenômeno desagradável que pode comprometer a operação segura da planta da caldeira e reduzir significativamente sua expectativa de vida.
Quando o gás de combustão é resfriado a uma temperatura do ponto de orvalho ou menos, ocorre a condensação do vapor de água, com os quais os compostos NOx, SOx, que, quando reagem com a água, formam ácidos, afetam destrutivamente as superfícies internas da caldeira. Dependendo do tipo de combustível queimado, a temperatura do ponto de orvalho ácido pode ser diferente, bem como a composição dos ácidos que precipitam na forma de condensado. O resultado, no entanto, é uma corrosão.
Os gases de combustão das caldeiras a gás natural consistem principalmente nos seguintes produtos de combustão: vapor de água (H
2 O), dióxido de carbono (CO
2 ), monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos combustíveis não queimados nHm (os dois últimos aparecem durante a combustão incompleta do combustível quando o modo de combustão não for depurado).
Como o ar atmosférico contém uma grande quantidade de nitrogênio, entre outras coisas, os óxidos de nitrogênio NO e NO
2 , genericamente chamados de NOx, parecem ser prejudiciais ao meio ambiente e à saúde humana nos produtos de combustão. Combinando com a água, os óxidos de nitrogênio formam um ácido nítrico corrosivo.
Ao queimar óleo combustível e carvão, os óxidos de enxofre chamados SOx aparecem nos produtos de combustão. Seu impacto ambiental negativo também é amplamente estudado e não questionado. O condensado ácido formado durante a interação com a água causa corrosão do enxofre nas superfícies de aquecimento.
Tradicionalmente, a temperatura dos gases de combustão, como mostrado acima, é escolhida de forma a proteger o equipamento da precipitação ácida nas superfícies de aquecimento da caldeira. Além disso, a temperatura dos gases deve garantir a condensação de NOx e SOx fora do caminho do gás, a fim de proteger não apenas a própria caldeira, mas também as chaminés dos processos de corrosão. Certamente, existem certos padrões que limitam a concentração permitida 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 sua precipitação na forma de precipitação ácida em sua superfície.
O enxofre contido no óleo combustível e no carvão, bem como o arrastamento de partículas não queimadas de combustível sólido (incluindo cinzas) impõem condições adicionais para a purificação dos gases de combustão. O uso de sistemas de purificação de gás aumenta significativamente o custo e complica o processo de utilização do calor dos gases de combustão, tornando esses eventos pouco atraentes do ponto de vista econômico, e muitas vezes praticamente não podem ser recuperados.
Em alguns casos, as autoridades locais definem uma temperatura mínima dos gases de combustão na boca do tubo para garantir a dispersão adequada dos gases de combustão e a ausência de uma nuvem de fumaça. Além disso, algumas empresas podem, por iniciativa própria, aplicar essa prática para melhorar sua imagem, já que o público em geral interpreta a presença de uma pluma de fumaça visível como um sinal de poluição ambiental, enquanto a ausência de uma pluma de fumaça pode ser considerada um sinal de produção limpa.
Tudo isso leva ao fato de que, sob certas condições climáticas, as empresas podem aquecer especificamente os gases de combustão antes de liberá-los na atmosfera. Embora, entendendo a composição dos gases de combustão de uma caldeira a gás natural (descrita em mais detalhes acima), fique óbvio que a "fumaça" branca proveniente do tubo (com a configuração correta do modo de combustão) é a maior parte do vapor de água gerado em o resultado de uma reação de combustão de gás natural em um forno de caldeira.
O controle de corrosão requer o uso de materiais resistentes aos seus efeitos negativos (esses materiais existem e podem ser utilizados em plantas que utilizam gás, derivados de petróleo e até resíduos), bem como a organização da coleta, processamento do condensado ácido e seu descarte.
Tecnologia
A implementação de um conjunto de medidas para reduzir a temperatura dos gases de combustão atrás da caldeira na empresa existente proporciona um aumento na eficiência de toda a instalação, que inclui a unidade da caldeira, utilizando, em primeiro lugar, a própria caldeira (o calor gerado nela).
O conceito de tais soluções, em essência, se resume a uma coisa: um trocador de calor é montado no duto de gás na chaminé, que recebe o calor dos gases de combustão do meio de resfriamento (por exemplo, água). Essa água pode ser diretamente o transportador final de calor, que deve ser aquecido, ou um agente intermediário que transfere o calor através de equipamentos adicionais de troca de calor para outro circuito.
O diagrama esquemático é apresentado na figura:
A coleta de condensado ocorre diretamente no volume do novo trocador de calor, 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 de combustão é superado com precisão dentro do trocador de calor. Assim, é útil usar não apenas o calor físico dos gases de combustão, mas também o calor latente de condensação do vapor de água neles contido. O próprio dispositivo deve ser calculado de forma que sua construção não exerça um arrasto aerodinâmico excessivo e, como resultado, deterioração das condições operacionais da unidade de caldeira.
O design do trocador de calor pode ser um trocador de calor recuperativo convencional, onde o calor é transferido de gases para líquidos através da parede divisória, ou um trocador de calor de contato no qual os gases de combustão entram em contato direto com a água que é pulverizada pelos bicos em seu fluxo.
Para um trocador de calor recuperativo, resolver o problema do condensado ácido se resume a organizar sua coleta e neutralização. No caso de um trocador de calor por contato, é usada uma abordagem ligeiramente diferente, um pouco semelhante à purga periódica do sistema de abastecimento de água em circulação: à medida que a acidez do líquido circulante aumenta, uma certa quantidade é levada para o tanque de armazenamento, onde é tratada com reagentes e depois descartada em água no sistema de drenagem, ou enviando-o para o ciclo tecnológico.
As aplicações individuais de gases de combustão podem ser limitadas devido à diferença entre a temperatura dos gases e a necessidade de uma temperatura específica na entrada do processo de consumo de energia. No entanto, para essas situações aparentemente em conflito, foi desenvolvida uma abordagem que se baseia em novas tecnologias e equipamentos qualitativamente.
A fim de aumentar a eficiência do processo de recuperação de calor dos gases de combustão na prática mundial, soluções inovadoras baseadas em bombas de calor estão sendo cada vez mais usadas como um elemento-chave do sistema. Em setores industriais individuais (por exemplo, em bioenergia), essas soluções são usadas na maioria das caldeiras colocadas em operação. Economia adicional de recursos de energia primária, neste caso, é obtida com o uso de máquinas elétricas não tradicionais de compressão de vapor, mas com bombas de calor de brometo de lítio de absorção mais confiáveis e tecnologicamente avançadas (ABTN), que não requerem eletricidade, mas calor para funcionar (geralmente pode ser usado como calor residual não utilizado , presente em abundância em quase todas as empresas). Esse calor proveniente de uma fonte de aquecimento externa ativa o ciclo ABTN interno, que permite converter o potencial de temperatura disponível dos gases de combustão e transferi-lo para ambientes mais aquecidos.
Resultado
O resfriamento dos gases de combustão da caldeira usando essas soluções pode ser bastante profundo - até 30 e até 20 ° C a partir dos 120-130 ° C iniciais. O calor recebido é suficiente para aquecer a água para as necessidades de tratamento químico da água, maquiagem, fornecimento de água quente e até um sistema de aquecimento.
Nesse caso, a economia de combustível pode chegar a 5% a 10% e um aumento na eficiência da unidade de caldeira - 2% a 3%.
Assim, a introdução da tecnologia descrita nos permite resolver vários problemas ao mesmo tempo. Isto é:
- o uso mais completo e útil do calor dos gases de combustão (bem como o calor latente da condensação do vapor de água),
- redução das emissões de NOx e SOx na atmosfera,
- obter uma água purificada por recursos adicionais (que pode ser útil para qualquer empresa, por exemplo, como alimento para o sistema de aquecimento e outros circuitos de água),
- eliminação da tocha de fumaça (ela fica quase invisível ou desaparece completamente).
A prática mostra que a adequação do uso de tais soluções depende principalmente de:
- as possibilidades de utilização útil do calor existente dos gases de combustão,
- a duração do uso do calor recebido em um ano,
- custos de energia na empresa,
- a presença de exceder a concentração máxima admissível de emissões de NOx e SOx (bem como a severidade da legislação ambiental local),
- um método de neutralização do condensado e opções para seu uso posterior.