وحدات احتجاز الكربون: استعادة الحرارة، وتبريد غاز المداخن، واختيار المعدات

يمكن لوحدة تعمل بالفحم بقدرة 250 ميجاوات مع احتجاز ما بعد الاحتراق أن ترسل ما بين 1.2 إلى 1.6 مليون طن من غاز المداخن عبر جهاز الامتصاص كل عام. عادةً لا يكون جهاز الامتصاص نفسه هو العنصر المحدود. أما المشاكل الأصعب فهي مشكلة حرارية: تبريد غاز المداخن من 140 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية تقريبا، وتزويد غلاية إعادة الغلي بما يتراوح بين 100 إلى 150 طن في الساعة من البخار المنخفض الضغط، والحفاظ على أسطح التبادل الحراري نظيفة ومقاومة للتآكل لمدة عشرين عاما.

ولهذا السبب، ينبغي تحديد وحدات احتجاز الكربون باعتبارها أنظمة متكاملة لاستعادة الحرارة، وليس كعمود مستقل بالإضافة إلى حزمة مذيبات. تحدد المعدات التي تتعامل مع تبريد غاز المداخن، وتسخين المكثفات، وتوليد بخار إعادة الغليان ما إذا كانت محطة الالتقاط تلبي هدف الحد الأقصى من الطاقة أو تستهلك بخارًا أكثر مما وعدت به حالة التصميم بهدوء. تشرح هذه المقالة مكان وجود هذه الرسوم الحرارية، والمكونات التي تحملها، وما الذي يجب التحقق منه قبل إصدار أمر الشراء.

لماذا تعتبر وحدات احتجاز الكربون أنظمة حرارية أولاً؟

تستخدم معظم وحدات احتجاز الكربون العاملة مذيبات أمينية مائية. خطوة التجديد هي أكبر حمل حراري مستمر. اعتمادًا على تركيبة المذيبات، وتحميل ثاني أكسيد الكربون، وضغط التجريد، تستهلك وحدة إعادة الغليان ما يقرب من 2.8 إلى 3.6 جيجا جول لكل طن من ثاني أكسيد الكربون الملتقط. بالنسبة لمصنع التقاط مليون طن سنويًا، فإن ذلك يترجم إلى 100 إلى 150 طنًا في الساعة من البخار المشبع، عادة عند 0.3 إلى 0.5 ميجا باسكال. إذا كان البخار يأتي من دورة توربينية موجودة، فإنه يقلل من صافي إنتاج الطاقة؛ إذا كان يأتي من غلاية مساعدة، فإنه يضيف تكلفة الوقود والانبعاثات.

هناك ثلاث واجبات حرارية تهيمن على توازن النبات:

• تبريد غاز المداخن وإزالة الماء قبل جهاز الامتصاص، عادة من 120-160 درجة مئوية إلى 40-50 درجة مئوية.
• إمداد بخار إعادة الغلاية عند ضغط ودرجة حرارة ثابتين، مع انخفاض خطر الترحيل.
• التبادل الحراري للمذيبات الهزيلة/الغنية وتبريد منتج ثاني أكسيد الكربون، مما يؤثر على تحلل المذيبات وطاقة الضغط.

كل واجب له إجابة معدات مختلفة. القاسم المشترك هو أن المبادلات الحرارية ذات السطح الممتد وغلايات استعادة الحرارة المهدرة يمكن أن تستعيد الطاقة التي قد يتم رفضها لمياه التبريد أو المدخنة. ويعوض هذا الانتعاش بشكل مباشر الطلب على البخار في محطة الالتقاط.

تبريد غاز المداخن واستعادة الحرارة

المقتصد لغاز المداخن ذيل الغلاية درجة حرارة غاز المداخن الداخل | 120-200 درجة مئوية | | درجة حرارة غاز المداخن عند المخرج | 100-150 درجة مئوية | | درجة حرارة مياه التغذية المدخلة | 80-120 درجة مئوية | | درجة حرارة مياه التغذية عند المخرج | 150-20... عرض المنتج →

عند مدخل وحدة الالتقاط، يكون غاز المداخن ساخنًا جدًا ورطبًا جدًا بالنسبة لمعظم ممتصات الأمينات. يعتبر الإرواء المباشر بالماء أمرًا بسيطًا، لكنه يستهلك المياه المعالجة ويرسل الحرارة المستردة إلى الغلاف الجوي. يقوم المبادل الحراري غير المباشر باستعادة الحرارة المعقولة أثناء تبريد الغاز إلى نافذة الامتصاص. يمكن للحرارة المستردة أن تقوم بتسخين مياه تغذية الغلاية، أو مياه إرجاع التدفئة المركزية، أو هواء الاحتراق.

بالنسبة للوحدات التي تعمل بالفحم والكتلة الحيوية، غالبًا ما يبدو قسم تبريد غاز المداخن وكأنه موفر للحرارة المنخفضة. التحدي التصميمي ليس معامل انتقال الحرارة؛ إنها نقطة الندى الحمضية. عندما ينخفض ​​جدار الأنبوب إلى ما دون نقطة تكاثف حمض الكبريتيك، يتشكل التكثيف ويبدأ التآكل. الحل العملي هو الحفاظ على درجة حرارة المعدن أعلى من نقطة الندى أثناء التشغيل العادي، أو تحديد مواد مقاومة للتآكل مثل الفولاذ ND أو الكورتن أو الفولاذ المقاوم للصدأ حيث لا يمكن للواجب تجنب التكثيف.

يعد موفر غاز المداخن خيارًا شائعًا لأنه يمكن دمجه في مجرى التسخين المسبق للهواء الموجود، وذلك باستخدام الحرارة الملتقطة لرفع درجة حرارة مياه التغذية أو لتوليد بخار منخفض الضغط. يمكن لنفس الوحدة تقليل حمل التبريد على المبرد ذو الاتصال المباشر، مما يقلل من استهلاك المياه وجرعات المواد الكيميائية. في عملية الالتقاط التحديثية، غالبًا ما تكون هذه هي الطريقة الأقل تكلفة لاستعادة جزء من عقوبة الطاقة.

إمداد البخار للتجديد: أدوار HRSG وغلايات حرارة النفايات

غلاية حرارة النفايات الصناعية حجم غاز المداخن |320,000 نيوتن متر مكعب/ساعة| | درجة حرارة غاز المداخن الداخل |450 درجة مئوية| | درجة حرارة غاز المداخن عند المخرج |100 درجة مئوية| | معدل تبخر البخار |3.8-54.5 طن/ساعة| | ضغط البخار |0.... عرض المنتج →

تحتاج وحدات احتجاز الكربون إلى البخار، وتحتاج إليه بشكل موثوق في إعادة الغليان. في محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة، يمكن لمولد البخار لاستعادة الحرارة (HRSG) توفير البخار المستخرج من مرحلة الضغط المتوسط. في المواقع الصناعية، يمكن لمراجل الحرارة المهدرة استعادة الحرارة من عادم الفرن، أو معالجة الغازات المنبعثة، أو عادم توربينات الغاز لإنتاج البخار المطلوب. سؤال الاختيار الرئيسي هو ما إذا كان مصدر البخار يمكنه متابعة ملف تعريف الأحمال الخاص بمحطة الالتقاط دون الإخلال بالعملية المضيفة.

يجب أن تتعامل غلاية الحرارة المهدرة المصممة لخدمة الالتقاط مع وضعين للتشغيل: عملية الالتقاط العادية وتجاوز الالتقاط. أثناء التجاوز، قد تشهد الغلاية درجات حرارة أعلى لغاز المداخن أو معدلات تدفق مختلفة. يجب أن يتحمل نظام التحكم، وحجم الأسطوانة، وأسطح التسخين أو المبخر كليهما. إذا كانت إعادة الغلاية تتطلب بخارًا مشبعًا، فيجب تحديد الغلاية بمساحة بخار كافية وكفاءة فاصل لتجنب الترحيل، مما قد يؤدي إلى إتلاف المذيب وإتلاف أداة التجريد.

عندما يكون لدى المصنع المضيف بالفعل HRSG، قد تكون وحدة الالتقاط قادرة على استخدام البخار منخفض الضغط من أسطوانة الضغط المنخفض أو الاستخراج. غالبًا ما يكون هذا أرخص من الغلاية الجديدة، لكنه ليس مجانيًا: لقد مر البخار بالفعل عبر مرحلة التوربينات، لذا فإن استخدامه للتجديد يقلل من إنتاج الكهرباء. يمكن لغلاية حرارة النفايات المخصصة في بعض الأحيان استعادة الحرارة من تيار كان من الممكن تهويته، مما يحول تيار النفايات إلى واجب إعادة الغلاية.

اختيار المكونات: الأنابيب ذات الزعانف والمواد والتنظيف

أنبوب زعانف من النوع H أنبوب OD 25-65 مم سمك جدار الأنبوب ≥3 مم أبعاد الزعنفة 70 مم × 70 مم، 75 مم × 75 مم، 95 مم × 89 مم، إلخ. سمك الزعنفة 0.3-0.4 مم درجة الزعنفة 3-10 مم المواد: الفولاذ الكربوني، الفولاذ المقاوم للصدأ... عرض المنتج →

داخل مبرد غاز المداخن، والمقتصد، وجهاز التسخين المسبق لمياه التغذية بوحدة الالتقاط، يقوم سطح الأنبوب بالعمل. تزيد الأسطح الممتدة من مساحة الجانب الغازي دون زيادة غلاف الضغط. يؤثر الاختيار بين الأنابيب ذات الزعانف من النوع H والأنابيب ذات الزعانف الحلزونية والأنابيب الملساء على نقل الحرارة والتلوث واستراتيجية التنظيف.

اختيار المواد يتبع نفس المنطق. الفولاذ الكربوني مقبول فوق نقطة الندى الحمضية. بالنسبة لدرجات حرارة المعدن المنخفضة، فكر في استخدام درجات مقاومة للتآكل أو طبقة واقية. تعتبر الوصلة من الأنبوب إلى الرأس بمثابة لحام بالغ الأهمية: يجب أن تكون مانعة للتسرب في ظل التدوير الحراري، لأنه حتى التسرب الصغير يمكن أن يلوث حلقة المذيب أو يخلق نقطة باردة تعمل على تسريع التآكل.

ينبغي تحديد الوصول إلى التلوث والتنظيف في مرحلة التخطيط. يمكن لوحدة الالتقاط التي تبدو فعالة في توازن الحرارة والكتلة أن تفقد 10-15% من أداء نقل الحرارة الخاص بها في غضون بضعة أشهر إذا كانت ممرات نفخ السخام مسدودة أو كانت مسافة الأنبوب ضيقة جدًا بحيث لا تتحمل تحميل الرماد المتوقع. غالبًا ما يتم اختيار الأنابيب ذات الزعانف من النوع H لغاز المداخن المشتق من الفحم لأن قنواتها المستقيمة أسهل في التنظيف من الزعانف الحلزونية الكثيفة.

عمليات الشراء والمخاطر الهندسية

المبادلات الحرارية وغلايات الحرارة المهدرة في وحدة احتجاز الكربون هي أجزاء ضغط. ويجب أن يتم تصميمها ولحامها وفحصها وتوثيقها وفقًا لرمز معترف به. في معظم المشاريع الدولية، ينطبق القسم الأول أو القسم الثامن من كود ASME للغلايات وأوعية الضغط، اعتمادًا على المكون والاختصاص القضائي. يوفر المعياران ISO 9001 وISO 3834-2 إطار عمل إدارة الجودة وتصنيع اللحام. للحصول على قائمة مرجعية عملية لتوافق أجزاء الضغط، راجع هذا دليل الامتثال لجزء الضغط ASME للمهندسين .

قبل منح العقد، اطرح ثلاثة أسئلة:

1. هل يمكن للمورد إجراء التقييم الحراري والتصميم الميكانيكي معًا، أم أنه يقوم بتمرير ورقة بيانات إلى جهة التصنيع؟ غالبًا ما تحتوي وحدات الالتقاط على مساحة ضيقة وظروف غاز المداخن المتغيرة. إن المورد الذي يمكنه إجراء فحوصات المدخلات الحرارية وتحويل رسومات المشروع إلى رسومات تصنيع يقلل من مخاطر الواجهة.
2. ما هي خطة اللحام والفحص؟ خطوط اللحام الآلي بالإضافة إلى التصوير الشعاعي أو الأشعة السينية في الوقت الحقيقي ليست تفاصيل تسويقية؛ فهي تحدد ما إذا كانت اللحامات من الأنبوب إلى الرأس تجتاز اختبار تسرب الهيليوم وتنجو من التدوير الحراري.
3. ما هو دليل التسليم والقدرة؟ تحتاج مشاريع EPC الكبيرة إلى رؤية الحمولة. يستطيع المصنع الذي يزيد إنتاجه السنوي عن 20.000 طن ويتمتع بخبرة في مجالات الطاقة والبتروكيماويات والصناعات الثقيلة استيعاب تغييرات الجدول الزمني بشكل أفضل من ورشة عمل صغيرة.

كما أنه يساعد على مراجعة الخلفية الهندسية للشركة المصنعة وخبرة التصدير قبل توضيح العرض الفني. بالنسبة للمشاريع في ولايات قضائية متعددة، فإن حزم الوثائق وإمكانية تتبع المواد وتنسيق التفتيش من طرف ثالث لها أهمية بقدر التصميم الحراري. من المرجح أن يكون لدى المورد الذي قام بالتسليم إلى أكثر من 50 دولة إجراءات لهذه المتطلبات المعمول بها بالفعل. يمكنك المراجعة الخلفية الهندسية والتصنيعية للشركة المصنعة كجزء من عملية التأهيل المسبق.

تنجح وحدات احتجاز الكربون أو تفشل في التكامل الحراري. يحظى جهاز الامتصاص والمذيب بمعظم الاهتمام، لكن مبرد غاز المداخن، والمقتصد، وغلاية الحرارة المهدورة، وأسطح الأنابيب ذات الزعانف تحدد كمية البخار التي يحتاجها جهاز إعادة الغليان فعليًا ومقدار الطاقة التي يمكن استردادها من المحطة. ابدأ المواصفات الحرارية مبكرًا، وحافظ على ظهور نقطة الندى الحمضية وهوامش التلوث في التخطيط، واختر موردي أجزاء الضغط الذين يمكنهم إثبات الامتثال للكود، وجودة اللحام، والقدرة على تسليم EPC بكميات كبيرة. إذا تم القيام بذلك بشكل جيد، فإن معدات استعادة الحرارة ليست إضافة إلى وحدة الالتقاط؛ وهو الجزء الذي يجعل وحدة الالتقاط مستدامة اقتصاديا.