Угольная установка мощностью 250 МВт с системой улавливания дожигания может ежегодно пропускать через абсорбер от 1,2 до 1,6 миллиона тонн дымовых газов. Сам поглотитель обычно не является ограничивающим фактором. Более сложные проблемы — термические: охлаждение дымовых газов со 140°C примерно до 45°C, подача в ребойлер от 100 до 150 тонн пара низкого давления в час, поддержание чистоты и устойчивости теплообменных поверхностей к коррозии в течение 20-летней кампании.
Вот почему установки улавливания углерода следует рассматривать как интегрированные системы рекуперации тепла, а не как отдельную колонну с пакетом растворителей. Оборудование, которое отвечает за охлаждение дымовых газов, нагрев конденсата и выработку пара в ребойлере, определяет, соответствует ли установка улавливания целевому показателю снижения энергопотребления или спокойно потребляет больше пара, чем обещано в расчете. В этой статье объясняется, где находятся эти тепловые нагрузки, какие компоненты их несут и что следует проверить перед размещением заказа на поставку.
Почему установки улавливания углерода — это прежде всего тепловые системы
В большинстве действующих установок улавливания углерода используются водные аминные растворители. Этап регенерации представляет собой самую большую непрерывную тепловую нагрузку. В зависимости от состава растворителя, загрузки CO2 и давления в отпарной колонне ребойлер потребляет примерно от 2,8 до 3,6 ГДж на тонну уловленного CO2. Для улавливающей установки производительностью 1 миллион тонн в год это соответствует производительности от 100 до 150 тонн насыщенного пара в час, обычно при давлении от 0,3 до 0,5 МПа. Если пар поступает из существующего турбинного цикла, это снижает полезную выходную мощность; если он поступает из вспомогательного котла, это увеличивает стоимость топлива и выбросы.
В балансе станции доминируют три тепловых режима:
- Охлаждение дымовых газов и удаление воды перед абсорбером, обычно от 120–160°C до 40–50°C.
- Подача пара в ребойлер при стабильном давлении и температуре с низким риском уноса.
- Теплообмен обедненного/обогащенного растворителя и охлаждение продукта CO2, которые влияют на разложение растворителя и энергию сжатия.
Каждая обязанность имеет свой ответ на оборудование. Общим является то, что теплообменники с расширенной поверхностью и котлы-утилизаторы могут восстанавливать энергию, которая в противном случае была бы отброшена в охлаждающую воду или дымовую трубу. Это восстановление напрямую компенсирует потребность в паре для улавливающей установки.
Охлаждение дымовых газов и рекуперация тепла
Экономайзер дымовых газов из хвостов котла Температура дымовых газов на входе | 120-200°С | | Температура дымовых газов на выходе | 100-150°С | | Температура питательной воды на входе | 80-120°С | | Температура питательной воды на выходе | 150-20... Посмотреть продукт → На входе в установку улавливания дымовой газ слишком горячий и влажный для большинства аминных поглотителей. Прямая закалка водой проста, но при этом потребляется очищенная вода, а восстановленное тепло передается в атмосферу. Косвенный теплообменник восстанавливает явное тепло, одновременно охлаждая газ до окна абсорбера. Утилизированное тепло может использоваться для предварительного нагрева питательной воды котла, возвратной воды централизованного теплоснабжения или воздуха для горения.
В установках, работающих на угле и биомассе, секция охлаждения дымовых газов часто выглядит как низкотемпературный экономайзер. Проблема проектирования заключается не в коэффициенте теплопередачи; это кислая точка росы. Когда стенка трубы падает ниже точки росы серной кислоты, образуется конденсат и начинается коррозия. Практическое решение состоит в том, чтобы поддерживать температуру металла выше точки росы во время нормальной работы или использовать коррозионностойкие материалы, такие как сталь ND, кортен или нержавеющая сталь, где невозможно избежать конденсации.
Экономайзер дымовых газов на хвостовой части является распространенным выбором, поскольку он может быть встроен после существующего воздухоподогревателя и использовать уловленное тепло для повышения температуры питательной воды или для выработки пара низкого давления. Тот же блок может снизить охлаждающую нагрузку на охладитель прямого контакта, что снижает потребление воды и дозирование химикатов. При модернизации улавливания это зачастую самый дешевый способ компенсировать часть потерь за электроэнергию.
Подача пара для регенерации: роль котла-утилизатора и котла-утилизатора
Промышленный котел-утилизатор Объем дымовых газов |320 000 Нм³/ч| | Температура дымовых газов на входе |450°C| | Температура дымовых газов на выходе |100°C| | Скорость испарения пара |3,8-54,5 т/ч| | Давление пара |0.... Посмотреть продукт → Установкам улавливания углерода нужен пар, и он необходим им в ребойлере. На электростанциях с комбинированным циклом парогенератор-утилизатор (HRSG) может подавать экстрагируемый пар со ступени промежуточного давления. На промышленных объектах котел-утилизатор может рекуперировать тепло из выхлопных газов печи, перерабатывать отходящие газы или выхлопы газовых турбин для производства необходимого пара. Ключевой вопрос выбора заключается в том, может ли источник пара следовать профилю нагрузки улавливающей установки, не нарушая основной процесс.
Котел-утилизатор, предназначенный для улавливания, должен работать в двух режимах: нормальный режим улавливания и байпас улавливания. Во время байпаса в котле могут наблюдаться более высокие температуры дымовых газов или другие скорости потока. Система управления, размеры барабана и поверхности пароперегревателя или испарителя должны выдерживать и то, и другое. Если для ребойлера требуется насыщенный пар, котел должен быть оснащен достаточным паровым пространством и эффективностью сепаратора, чтобы избежать уноса, который может загрязнить растворитель и повредить стриппер.
Если на принимающей установке уже имеется котел-утилизатор, установка улавливания может использовать пар низкого давления из барабана низкого давления или экстрактора. Зачастую это дешевле, чем новый котел, но не бесплатно: пар уже прошел через ступень турбины, поэтому его использование для регенерации снижает выработку электроэнергии. Специальный котел-утилизатор иногда может рекуперировать тепло из потока, который в противном случае был бы сброшен, превращая поток отходов в ребойлер.
Выбор компонентов: оребренные трубы, материалы и очистка
Ребристая труба типа H Внешний диаметр трубки 25–65 мм. Толщина стенки трубки ≥3 мм. Размеры ребер: 70×70 мм, 75×75 мм, 95×89 мм и т. д. Толщина ребра 0,3–0,4 мм. Шаг ребер 3–10 мм. Материал: углеродистая сталь, нержавеющая сталь... Посмотреть продукт → Внутри охладителя дымовых газов, экономайзера и подогревателя питательной воды ребойлера всю работу выполняет поверхность трубы. Расширенные поверхности увеличивают площадь газовой стороны без увеличения диапазона давления. Выбор между оребренными трубками H-типа, спирально-оребренными трубками и гладкими трубками влияет на теплообмен, загрязнение и стратегию очистки.
| Параметр | оребренная труба H-типа | Спиральная ребристая труба | Гладкая трубка |
|---|---|---|---|
| Площадь теплопередачи на единицу длины | От умеренного до высокого | Высокий | Низкий |
| Устойчивость к загрязнению в газе с содержанием золы | Хорошо; открытые каналы сопротивляются перекрытию | Умеренный; зазоры в плавниках могут затыкаться | Хорошая, но большая площадь |
| Метод очистки | Сажеобдувочные машины, промывка водой | Обдуватели сажи, бережная промывка водой | Сажеобдувочные машины, механическая очистка |
| Типичная установка в блоке улавливания | Охладитель дымовых газов, экономайзер | Чистый газ или режим с низким загрязнением | Высокий-temperature or abrasive duty |
Выбор материала следует той же логике. Углеродистая сталь допускается при температуре выше кислой точки росы. Для более низких температур металла рассмотрите возможность использования коррозионностойких марок или защитного покрытия. Соединение трубы с коллектором является критически важным сварным швом: оно должно быть герметичным при термоциклировании, поскольку даже небольшая утечка может загрязнить контур растворителя или создать холодное пятно, которое ускоряет коррозию.
Доступ к загрязнению и очистке должен быть решен на этапе планировки. Установка улавливания, которая выглядит эффективной с точки зрения баланса тепла и массы, может потерять 10–15% своей эффективности теплопередачи в течение нескольких месяцев, если каналы продувки сажи заблокированы или шаг труб слишком мал для ожидаемой нагрузки золы. Ребристые трубы H-типа часто выбирают для дымовых газов, добываемых из угля, поскольку их прямые каналы легче очищать, чем плотные спиральные ребра.
Проверка закупочных и инженерных рисков
Теплообменники и котлы-утилизаторы установки улавливания углерода являются деталями, работающими под давлением. Они должны быть спроектированы, сварены, проверены и задокументированы в соответствии с признанными нормами. В большинстве международных проектов применяются нормы ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел I или раздел VIII, в зависимости от компонента и юрисдикции. ISO 9001 и ISO 3834-2 обеспечивают основу для управления качеством и сварочного производства. Практический контрольный список соответствия деталей, работающих под давлением, см. здесь. Руководство по соблюдению требований ASME для деталей, работающих под давлением, для инженеров .
Прежде чем заключить контракт, задайте три вопроса:
- Может ли поставщик одновременно выполнить расчет тепловых характеристик и механическое проектирование или он передает таблицу данных производителю? Установки улавливания часто имеют ограниченное пространство и переменные условия содержания дымовых газов. Поставщик, который может проводить проверки тепловложения и преобразовывать проектные чертежи в рабочие чертежи, снижает риск сопряжения.
- Каков план сварки и контроля? Автоматизированные сварочные линии плюс рентгенографические или рентгеновские изображения в реальном времени не являются маркетинговыми деталями; они определяют, выдерживают ли сварные швы трубы с коллектором испытание на утечку гелия и выдерживают ли термические циклы.
- Каковы доказательства доставки и мощности? Крупные проекты EPC требуют прозрачности тоннажа. Производитель с годовым объемом производства более 20 000 тонн и опытом работы в энергетике, нефтехимии и тяжелой промышленности обычно может лучше адаптироваться к изменениям графика, чем небольшая мастерская.
Это также помогает изучить инженерный опыт производителя и опыт экспорта перед разъяснением технического предложения. Для проектов в нескольких юрисдикциях пакеты документации, отслеживание материалов и координация проверок третьей стороной имеют такое же значение, как и тепловой расчет. Поставщик, осуществляющий поставки более чем в 50 стран, скорее всего, уже имеет процедуры для выполнения этих требований. Вы можете просмотреть инженерный и производственный опыт производителя в рамках процесса предварительной квалификации.
Установки улавливания углерода успешны или терпят неудачу при интеграции тепла. Абсорберу и растворителю уделяется больше всего внимания, но охладитель дымовых газов, экономайзер, котел-утилизатор и поверхности оребренных труб решают, сколько пара на самом деле нужно ребойлеру и какая часть непроизводительной энергии установки может быть восстановлена. Заблаговременно начните разработку тепловых спецификаций, следите за тем, чтобы точка росы кислоты и пределы загрязнения были видны на макете, и выбирайте поставщиков деталей, работающих под давлением, которые могут продемонстрировать соответствие нормам, качество сварки и возможности для крупных поставок EPC. Если все сделано правильно, оборудование для рекуперации тепла не является дополнением к блоку улавливания; это та часть, которая делает блок улавливания экономически устойчивым.
