Енергийна ефективност на горивни инсталации

Горивните инсталации, работещи на различни горива (включително отпадъци), се използват за генериране или пренос на топлинна енергия към даден процес. Те могат да бъдат класифицирани като: котли за получаване на пара или гореща вода; нагреватели, например за подгряване на суров петрол в дестилационни инсталации, при крекинг или реформинг с пара; пещи или системи, в които материалите се нагряват до високи температури с цел протичане на химическа трансформация, например пещи в циментови заводи.

При всички изброени приложения енергията може да бъде управлявана чрез контрол на процесните показатели и параметрите на горивната инсталация.

Подобряването на енергийната ефективност на горивните инсталации влияе върху емисиите на въглероден диоксид, когато са предприети мерки за редуциране на консумацията на гориво.

В този случай емисиите намаляват пропорционално на въглеродното съдържание на спестеното гориво. Нуждата от подобрение на ефективността може да е свързана и с необходимост от увеличаване на отделената от горивния процес енергия при запазване на консумацията на гориво. При този случай редуцирането на емисиите е на производствено ниво, но като абсолютна стойност не се наблюдава понижение.

Енергийни загуби

Получената от горивните инсталации топлинна енергия се пренася към работната среда, като при това се различават няколко вида загуби. Сред тях са загубите от димните газове, които зависят от температурата на отпадъчния газов поток, въздушното смесване, съставът на горивото и степента на замърсеност на котела.

Друг вид енергийни загуби са тези в резултат на неизгоряло гориво, чиято химична енергия не е претърпяла конверсия. Непълното изгаряне води и до отделяне на въглероден оксид и въглеводороди в димните газове.

Наблюдават се и загуби от провеждане и излъчване, като при парогенераторите те се определят предимно от качеството на изолацията на инсталацията и паропроводите. Значими са загубите и от неизгорял материал в остатъците, включително такива, свързани с неизгорял въглерод в шлака, дънна и летяща пепел.

В допълнение към топлинните загуби трябва да се отчете и необходимата енергия за захранването на спомагателни съоръжения (оборудване за транспорт на гориво, смилане на въглища, помпи и вентилатори, системи за отстраняване на пепелта, почистване на нагряващите повърхности и др.).

По-ниски температури на димните газове

Един от вариантите за намаляване на топлинните загуби в процеса на горене включва понижаване на температурата на отделяните димни газове. Това може да се постигне по няколко начина например оразмеряване за максимална производителност, увеличаване на топлопреноса чрез повишаване на скоростта на пренос на енергия или оптимизиране на топлопреносните повърхности.

Други алтернативи за осигуряване на по-ниски температури на димните газове са възстановяването на отпадната топлина посредством икономайзери или инсталирането на въздушен или воден нагревател за предварително подгряване на горивото.

Почистването на топлопреносните повърхности от натрупала се пепел и въглеродни частици също може да допринесе за подобряване на енергийната ефективност на инсталацията. Тази процедура обикновено се извършва при спиране на съоръжението за инспекция и поддръжка, но съществуват и методи за онлайн почистване (например за нагревателите в рафинерии).

В допълнение е важно получаващото се количество топлинна енергия да не е по-голямо от необходимото. Това може да бъде контролирано чрез понижаване на топлинната мощност на горелката или намаляване на дебита на гориво например чрез инсталиране на дюзи за течно гориво с по-малка мощност или редуциране на налягането на подаваното в инсталацията газообразно гориво.

Намаляването на температурата на димните газове обаче може да е в противоречие с някои изисквания за качеството на въздуха. Подгряването на горивния въздух води до по-висока температура на пламъка, вследствие на което се увеличава образуването на азотни оксиди (NOx) и съответно рискът от превишаване на емисионните норми.

Ретрофитът на съществуващи горивни инсталации със система за подгряване на въздуха може да не е оправдано заради необходимото допълнително пространство, инсталирането на допълнителни вентилатори и на решение за отстраняване на NOx.

Трябва да се отбележи, че процесът за отстраняване на азотни оксиди чрез инжектиране на амоняк или карбамид е свързан с потенциално изтичане на амоняк в димните газове, което може да бъде контролирано само посредством скъп сензор за амоняк и цикъл за управление.

Колкото по-ниска е температурата на димните газове, толкова по-добра е енергийната ефективност. При падането на температурата под точката на втечняване на водата и сярната киселина (обикновено между 110 и 170°C) металните повърхности могат да бъдат увредени.

Този проблем може да се избегне чрез използването на корозионно устойчиви материали в горивните инсталации, но все пак може да е необходимо събиране и третиране на киселинния кондензат.

Обсъдените възможности, с изключение на периодичното почистване, изискват допълнителни инвестиции и са най-подходящи за приложение в етапите на проектиране и конструиране на инсталацията. Някои приложения могат да бъдат ограничени от разликата между входната температура и температурата на димните газове, която е резултат от компромисно решение между възстановяването на енергия и разходите за оборудването.

Подгряване на въздуха

Освен икономайзер, може да бъде инсталиран и нагревател за въздух (топлообменник тип въздух-въздух), който да подгрява подавания към горелката поток. Това означава, че димните газове ще могат да са с още по-ниска температура.

По-високата температура на въздуха подобрява горенето и повишава цялостната ефективност на котела. Установено е, че на всеки 20°C понижение на температурата на димните газове ефективността нараства с 1%.

По-малко ефективен, но по-прост начин за подгряване е инсталирането на входа за въздух на горелката на тавана на котелното помещение, където температурата често е с 10 до 20°C по-висока в сравнение с тази на външната среда.

Друго решение е използването на двустенна тръба - димните газове се изпускат през вътрешната, а въздухът за горелката преминава през външната тръба и се загрява.

На практика инсталирането на нагревател за въздуха може да повиши ефективността с 3 до 5%.

Сред ползите от прилагането на това решение са възможността за използване на горещия въздух за изсушаване на горивото (приложимо за въглища) и за намаляване на размерите на котела.

Съществуват обаче и няколко практически недостатъка, които често възпрепятстват инсталирането на нагревател за въздуха - необходимостта от допълнително пространство, осигуряване на по-високо налягане от вентилатора на горелката, възможни проблеми със стабилността на пламъка поради по-големия обем на загретия въздух и риск от по-високи емисии на азотни оксиди.

Инсталирането на въздушен нагревател е разходно ефективно за нови котелни инсталации. Изменението на въздухоподаването често се ограничава поради технически причини или съображения за пожарна безопасност. Монтажът на подгревател за въздух в съществуваща горивна инсталация в повечето случаи е сложен и с ограничена ефективност.

Рекуперативни и регенеративни горелки

Тези горелки са разработени с цел оползотворяване на отпадната топлина за подгряване на горивния въздух. Рекуператорът е топлообменник, който извлича топлината на напускащите пещта газове и я използва за загряване на входящия въздушен поток.

В сравнение със системите, работещи със студен въздух, при рекуператорите може да се очакват енергийни спестявания от около 30%. Максималната температура, до която могат да загреят въздуха обаче, е между 550 и 600°C. Рекуперативните горелки могат да се използват за високотемпературни процеси (700-1100°C).

Регенеративните горелки работят по двойки и функционират на принципа на краткосрочното съхранение на топлина посредством керамични регенератори. Те възстановяват между 85 и 90% от топлината на напускащите инсталацията димни газове.

Това позволява загряване на горивния въздух до много високи температури от порядъка на 100-150°C под работната температура на пещта. Температурите на приложение варират между 800 и 1500°C, а консумацията на гориво може да бъде редуцирана с до 60%.

Важно ограничение на модерните рекуперативни/регенеративни горелки е конфликтът между технологиите за намаляване на емисиите и фокусът върху енергийната ефективност.

Образуването на NOx е функция на температурата, концентрацията на кислород и времето на престой. Поради високите температури на предварително загретия въздух и времето на престой конвенционалните пламъци имат по-висока пикова температура, което води до силно увеличаване на емисиите на азотни оксиди.

Други алтернативи

Излишъкът от въздух може да бъде сведен до минимум чрез регулиране на дебита на въздушния поток пропорционално на дебита на потока гориво. Това до голяма степен се постига чрез автоматизираното измерване на концентрацията на кислород в димните газове.

В зависимост от това колко бързо се изменя необходимостта от топлинна енергия за процеса, излишъкът от въздух може да бъде контролиран ръчно или автоматично. Прекалено малкото количество въздух води до гасене на пламъка и нужда от повторно стартиране на инсталацията и възпламеняване на недоизгорелите газове, което е свързано с повреди на съоръжението.

Следователно, поради съображения за безопасност винаги трябва да има известен излишък от въздух (типично 1-2% за газообразни и 10% за течни горива).

Видът на избраното за процеса гориво влияе силно върху количеството топлинна енергия за единица използвано гориво. Затова изборът на гориво също предоставя възможност за намаляване на излишъка от въздух и подобряване на енергийната ефективност на горивния процес.

Топлинните загуби през стените на горивната система се определят от диаметъра на тръбата и дебелината на изолацията. Ефективна топлоизолация, която да свежда загубите през стените до минимум, може да се реализира на етап пускане в експлоатация на инсталацията.

Качеството на изолиращия материал може да се влоши с времето и да се наложи подмяната му съгласно програмата за поддръжка. Удобен вариант за откриване на зоните с некачествена изолация, докато горивната инсталация работи, и планиране на ремонт е използването на техники за получаване на инфрачервени изображения.

Топлинни загуби в резултат на излъчване могат да възникнат през отворите на пещта за зареждане на инсталацията. Това е валидно най-вече за пещи, работещи при температура над 500°C. Тези загуби е възможно да бъдат минимизирани чрез подобряване на конструкцията на горивната инсталация.