Blok węglowy o mocy 250 MW z wychwytem po spalaniu może rocznie przepuścić przez absorber od 1,2 do 1,6 mln ton spalin. Sam absorber zwykle nie jest elementem ograniczającym. Trudniejsze problemy mają charakter termiczny: chłodzenie gazów spalinowych z temperatury 140°C do około 45°C, dostarczanie do reboilera pary pod niskim ciśnieniem od 100 do 150 ton na godzinę oraz utrzymywanie powierzchni wymiany ciepła w czystości i odporności na korozję przez 20 lat.
Dlatego też jednostki wychwytujące dwutlenek węgla powinny być określane jako zintegrowane systemy odzyskiwania ciepła, a nie jako samodzielna kolumna z pakietem rozpuszczalników. Sprzęt obsługujący chłodzenie gazów spalinowych, ogrzewanie kondensatu i wytwarzanie pary w reboilerze określa, czy instalacja wychwytująca spełnia docelowy poziom kar energetycznych, czy też cicho zużywa więcej pary, niż obiecano w projekcie. W tym artykule wyjaśniono, gdzie znajdują się te obowiązki termiczne, które komponenty je przenoszą i co należy sprawdzić przed złożeniem zamówienia.
Dlaczego jednostki wychwytujące dwutlenek węgla są przede wszystkim systemami termicznymi
Większość działających jednostek wychwytywania węgla wykorzystuje wodne rozpuszczalniki aminowe. Etap regeneracji jest największym ciągłym obciążeniem cieplnym. W zależności od składu rozpuszczalnika, obciążenia CO2 i ciśnienia kolumny odpędowej, reboiler zużywa około 2,8 do 3,6 GJ na tonę wychwyconego CO2. W przypadku instalacji wychwytującej o wydajności 1 miliona ton rocznie oznacza to od 100 do 150 ton pary nasyconej na godzinę, zwykle pod ciśnieniem 0,3 do 0,5 MPa. Jeśli para pochodzi z istniejącego obiegu turbiny, zmniejsza to moc wyjściową netto; jeśli pochodzi z kotła pomocniczego, zwiększa koszty paliwa i emisję.
W bilansie rośliny dominują trzy obowiązki termiczne:
- Chłodzenie gazów spalinowych i usuwanie wody przed absorberem, zazwyczaj od 120–160°C do 40–50°C.
- Zasilanie parą z kotła o stabilnym ciśnieniu i temperaturze, przy niskim ryzyku przeniesienia.
- Wymiana ciepła ubogiego/bogatego rozpuszczalnika i chłodzenie produktu CO2, które wpływają na degradację rozpuszczalnika i energię sprężania.
Każdy obowiązek ma inną odpowiedź sprzętową. Wspólnym wątkiem jest to, że wymienniki ciepła o dużej powierzchni i kotły z odzyskiem ciepła odpadowego mogą odzyskiwać energię, która w przeciwnym razie zostałaby odrzucona do wody chłodzącej lub komina. Odzysk ten bezpośrednio pokrywa zapotrzebowanie instalacji wychwytującej na parę.
Chłodzenie gazów spalinowych i odzysk ciepła
Ekonomizer spalin z kotła Temperatura gazów spalinowych na wlocie | 120-200°C | | Temperatura gazów spalinowych na wylocie | 100-150°C | | Temperatura wody zasilającej na wlocie | 80-120°C | | Temperatura wody zasilającej na wylocie | 150-20... Zobacz produkt → Na wlocie do jednostki wychwytującej gazy spalinowe są zbyt gorące i zbyt mokre dla większości absorberów amin. Bezpośrednie hartowanie wodą jest proste, wymaga jednak zużycia uzdatnionej wody i oddawania odzyskanego ciepła do atmosfery. Pośredni wymiennik ciepła odzyskuje ciepło jawne podczas chłodzenia gazu do okna absorbera. Odzyskane ciepło może podgrzać wodę zasilającą kocioł, wodę powrotną z sieci ciepłowniczej lub powietrze do spalania.
W przypadku jednostek opalanych węglem lub biomasą sekcja chłodzenia spalin często wygląda jak ekonomizer niskotemperaturowy. Wyzwaniem projektowym nie jest współczynnik przenikania ciepła; jest to kwaśny punkt rosy. Gdy ścianka rury spadnie poniżej punktu rosy kwasu siarkowego, tworzy się kondensacja i rozpoczyna się korozja. Praktycznym rozwiązaniem jest utrzymanie temperatury metalu powyżej punktu rosy podczas normalnej pracy lub zastosowanie materiałów odpornych na korozję, takich jak stal ND, Corten lub stal nierdzewna, gdzie nie można uniknąć kondensacji.
Ekonomizer spalin na końcu spalin jest powszechnym wyborem, ponieważ można go zintegrować za istniejącym podgrzewaczem powietrza i wykorzystać przechwycone ciepło do podniesienia temperatury wody zasilającej lub do wytworzenia pary o niskim ciśnieniu. To samo urządzenie może zmniejszyć obciążenie chłodnicy z bezpośrednim kontaktem, co zmniejsza zużycie wody i dozowanie środków chemicznych. W przypadku modernizacji polegającej na wychwytywaniu jest to często najtańszy sposób na odzyskanie części kary za energię.
Dostarczanie pary do regeneracji: rola HRSG i kotła na ciepło odpadowe
Przemysłowy kocioł na ciepło odpadowe Objętość spalin |320 000 Nm3/h| | Temperatura spalin na wlocie |450°C| | Temperatura spalin na wylocie |100°C| | Szybkość parowania pary |3,8-54,5 t/h| | Ciśnienie pary |0.... Zobacz produkt → Jednostki wychwytujące dwutlenek węgla potrzebują pary, i to niezawodnie w reboilerze. W elektrowniach pracujących w cyklu kombinowanym wytwornica pary z odzyskiem ciepła (HRSG) może dostarczać parę ekstrakcyjną ze stopnia średniego ciśnienia. W obiektach przemysłowych kocioł na ciepło odpadowe może odzyskiwać ciepło ze spalin z pieca, gazów odlotowych z procesu lub gazów spalinowych z turbiny gazowej w celu wytworzenia wymaganej pary. Kluczową kwestią przy wyborze jest to, czy źródło pary może dostosować się do profilu obciążenia instalacji wychwytującej bez zakłócania procesu głównego.
Kocioł na ciepło odpadowe przeznaczony do wychwytywania musi obsługiwać dwa tryby pracy: normalny tryb wychwytywania i obejście wychwytu. Podczas obejścia kocioł może odnotować wyższą temperaturę spalin lub inne natężenie przepływu. Układ sterowania, rozmiar bębna oraz powierzchnie przegrzewacza lub parownika muszą tolerować oba. Jeżeli reboiler wymaga pary nasyconej, należy dobrać kocioł z odpowiednią przestrzenią na parę i wydajnością separatora, aby uniknąć przenoszenia, które może zanieczyścić rozpuszczalnik i uszkodzić kolumnę odpędową.
Jeżeli zakład macierzysty posiada już HRSG, jednostka wychwytująca może mieć możliwość wykorzystania pary niskociśnieniowej z bębna niskociśnieniowego lub ekstrakcji. Często jest to tańsze niż nowy kocioł, ale nie jest darmowe: para przeszła już przez stopień turbiny, więc wykorzystanie jej do regeneracji zmniejsza produkcję energii elektrycznej. Specjalny kocioł na ciepło odpadowe może czasami odzyskać ciepło ze strumienia, który w przeciwnym razie zostałby odpowietrzony, zamieniając strumień odpadów w reboiler.
Wybór komponentów: Rury żebrowane, materiały i czyszczenie
Rura żebrowana typu H Średnica zewnętrzna rury 25-65 mm Grubość ścianki rury ≥3 mm Wymiary lameli 70 mm x 70 mm, 75 mm x 75 mm, 95 mm x 89 mm itp. Grubość lameli 0,3-0,4 mm Rozstaw lamel 3-10 mm Materiał: stal węglowa, stal nierdzewna... Zobacz produkt → Wewnątrz chłodnicy gazów spalinowych, ekonomizera i podgrzewacza wody zasilającej reboilera, powierzchnia rury wykonuje swoją pracę. Rozszerzone powierzchnie zwiększają obszar po stronie gazowej bez zwiększania koperty ciśnienia. Wybór pomiędzy rurami żebrowanymi typu H, rurami żebrowanymi spiralnie i rurami gładkimi wpływa na przenoszenie ciepła, zanieczyszczenia i strategię czyszczenia.
| Parametr | Rura żebrowana typu H | Rura żebrowana spiralnie | Gładka rurka |
|---|---|---|---|
| Powierzchnia wymiany ciepła na jednostkę długości | Umiarkowane do wysokiego | Wysoka | Niski |
| Odporność na zanieczyszczenia w gazie zawierającym popiół | Dobry; otwarte kanały są odporne na mostkowanie | Umiarkowany; szczeliny w żebrach mogą się zatykać | Dobry, ale duży ślad |
| Metoda czyszczenia | Zdmuchiwacze sadzy, mycie wodą | Zdmuchiwacze sadzy, ostrożne mycie wodą | Zdmuchiwacze sadzy, czyszczenie mechaniczne |
| Typowe dopasowanie do jednostki przechwytującej | Chłodnica spalin, ekonomizer | Czysty gaz lub praca z niskim poziomem zanieczyszczeń | Wysoka-temperature or abrasive duty |
Wybór materiału opiera się na tej samej logice. Stal węglowa jest dopuszczalna powyżej kwaśnego punktu rosy. W przypadku metali o niższych temperaturach należy rozważyć gatunki odporne na korozję lub powłokę ochronną. Połączenie rury z kolektorem jest spoiną o krytycznym znaczeniu: musi być szczelne pod wpływem cykli termicznych, ponieważ nawet niewielki wyciek może zanieczyścić pętlę rozpuszczalnika lub utworzyć zimny punkt, który przyspiesza korozję.
Decyzję o dostępie do zanieczyszczeń i czyszczenia należy podjąć na etapie układania. Jednostka wychwytująca, która wygląda na wydajną pod względem bilansu cieplnego i masowego, może w ciągu kilku miesięcy stracić 10–15% swojej wydajności wymiany ciepła, jeśli ścieżki wydmuchu sadzy zostaną zablokowane lub odstęp rur jest zbyt mały dla oczekiwanego ładunku popiołu. Rury żebrowane typu H są często wybierane do gazów spalinowych pochodzenia węglowego, ponieważ ich proste kanały są łatwiejsze do czyszczenia niż gęste, spiralne żebra.
Kontrole ryzyka związanego z zaopatrzeniem i inżynierią
Wymienniki ciepła i kotły na ciepło odpadowe w jednostce wychwytującej dwutlenek węgla są częściami ciśnieniowymi. Muszą być zaprojektowane, zespawane, sprawdzone i udokumentowane zgodnie z uznanym kodem. W większości projektów międzynarodowych obowiązuje sekcja I lub sekcja VIII Kodeksu kotłów i zbiorników ciśnieniowych ASME, w zależności od komponentu i jurysdykcji. Normy ISO 9001 i ISO 3834-2 zapewniają ramy zarządzania jakością i produkcji spawalniczej. Praktyczną listę kontrolną zgodności części ciśnieniowych można znaleźć tutaj Przewodnik dotyczący zgodności części ciśnieniowych ASME dla inżynierów .
Przed udzieleniem zamówienia zadaj trzy pytania:
- Czy dostawca może wspólnie wykonać ocenę termiczną i projekt mechaniczny, czy też przekazuje arkusz danych producentowi? Jednostki wychwytujące często charakteryzują się małą przestrzenią działkową i zmiennymi warunkami gazów spalinowych. Dostawca, który może przeprowadzić kontrolę dopływu ciepła i przekształcić rysunki projektowe w rysunki produkcyjne, zmniejsza ryzyko związane z interfejsem.
- Jaki jest plan spawania i inspekcji? Zautomatyzowane linie spawalnicze oraz obrazowanie radiograficzne lub rentgenowskie w czasie rzeczywistym nie są szczegółami marketingowymi; określają, czy spoiny rury do kolektora przechodzą test szczelności helem i wytrzymują cykle termiczne.
- Jakie są dowody dostawy i wydajności? Duże projekty EPC wymagają przejrzystości w zakresie tonażu. Producent o rocznej produkcji powyżej 20 000 ton i doświadczeniu w energetyce, petrochemii i przemyśle ciężkim zazwyczaj lepiej radzi sobie ze zmianami harmonogramu niż mały warsztat.
Pomocne jest także dokonanie przeglądu wiedzy inżynieryjnej producenta i doświadczenia eksportowego przed technicznym wyjaśnieniem oferty. W przypadku projektów prowadzonych w wielu jurysdykcjach pakiety dokumentacji, identyfikowalność materiałów i koordynacja inspekcji stron trzecich są równie ważne jak projekt termiczny. Jest bardziej prawdopodobne, że dostawca, który realizował dostawy do ponad 50 krajów, będzie już posiadał procedury spełniające te wymagania. Możesz przejrzeć doświadczenie inżynieryjne i produkcyjne producenta w ramach procesu kwalifikacji wstępnej.
Jednostki wychwytujące dwutlenek węgla odnoszą sukces lub porażkę w zakresie integracji ciepła. Najwięcej uwagi poświęca się absorberowi i rozpuszczalnikowi, ale chłodnica gazów spalinowych, ekonomizer, kocioł na ciepło odpadowe i powierzchnie rur żebrowanych decydują o tym, ile pary faktycznie potrzebuje reboiler i ile energii cieplnej instalacji można odzyskać. Rozpocznij specyfikację termiczną odpowiednio wcześnie, uwidocznij w układzie kwasowy punkt rosy i marginesy zanieczyszczeń oraz wybierz dostawców części ciśnieniowych, którzy mogą wykazać zgodność z przepisami, jakość spawania i wydajność w przypadku dużych dostaw EPC. Dobrze zrobione, sprzęt do odzyskiwania ciepła nie jest dodatkiem do jednostki wychwytującej; jest to część, która sprawia, że jednostka wychwytująca jest ekonomicznie zrównoważona.
