استعادة الحرارة المهدرة من غازات المداخن: تحديد حجم مسخن الهواء المسبق للغلايات والأفران

كل غلاية وفرن يطلق غازات الاحتراق الساخنة، ويمكن استعادة جزء كبير من تلك الحرارة بدلاً من فقدانها.استعادة الحرارة المهدرة من غازات المداخنيُعدّ استخلاص حرارة المدخنة باستخدام مسخن هواء لوحي وإعادتها إلى العملية من أكثر التدابير كفاءةً في الصناعة. يشرح هذا الدليل الفرصة المتاحة، وكيفية تحديد حجم وحدة الاستخلاص، وقيد نقطة تكثف الحمض الحاسم الذي يُحدد مدى إمكانية الاستفادة من هذه التقنية.

يُعدّ استعادة الحرارة المهدرة عنصراً أساسياً في خفض انبعاثات الكربون في الصناعة، لأنه يقلل من استهلاك الوقود والانبعاثات دون تغيير العملية الأساسية. يقوم مهندسو شركة SHPHE بتصميم سخانات هواء مسبقة مطلية لاعتراض غازات المداخن ذات درجة الحرارة العالية واستعادة طاقتها، ويُعدّ تحديد حجمها بشكل صحيح - مع الموازنة بين أقصى قدر من الاستعادة وحدود التآكل - مفتاحاً لتركيب موثوق وعالي الكفاءة.

ما مقدار الحرارة الموجودة في غازات المداخن؟

تعتمد الطاقة القابلة للاسترداد علىمعدل تدفق غازات الاحتراق ودرجة حرارتهاأعلى من النقطة التي يمكن تبريدها إليها بأمان. تحمل مدخنة الفرن ذات درجة الحرارة العالية حرارة قابلة للاسترداد أكبر بكثير من تلك الموجودة في الفرن ذي درجة الحرارة المنخفضة، وكلما زاد تدفق الغاز، زادت الطاقة المتاحة. تُحسب الحرارة التي يمكن استعادتها بشكل عام بضرب معدل تدفق كتلة الغاز في حرارته النوعية في انخفاض درجة الحرارة الذي يمكن تحقيقه عبر المسخن المسبق. الحد العملي لانخفاض درجة الحرارة هذا هو نقطة تكثف الحمض، والتي سيتم شرحها لاحقًا. يُعد تحديد كمية الحرارة المتاحة من ظروف المدخنة الخطوة الأولى في أي مشروع استعادة، لأنه يحدد حجم الفائدة المرجوة.

كيف يتم تحديد حجم سخان الهواء المسبق لاستعادة الحرارة؟

تعتمد عملية تحديد الحجم على نفس المنطق الحراري المتبع في أي مبادل حراري لوحي، والمطبق على تيارات الغاز. المدخلات هيمعدل تدفق غازات الاحتراق ودرجة حرارة المدخل، التدفق هواء الاحتراق (أو غاز العملية) ودرجة حرارة مدخله، الدرجة حرارة التسخين المسبق المستهدفةما تريد تحقيقه، وانخفاض الضغط المسموح بهعلى كلا الجانبين (وهذا مهم في تطبيقات الغاز، حيث تُعدّ قوة المروحة عاملاً حاسماً). بناءً على هذه البيانات، يُحدد المهندس أبعاد مصفوفة الألواح المموجة - مساحة اللوح، وتموجاته، وترتيب التدفق - لنقل الحرارة المطلوبة ضمن حدود انخفاض الضغط المسموح بها. ولأن معاملات انتقال الحرارة في تطبيقات الغاز أقل من معاملات انتقال الحرارة في تطبيقات السوائل، يتم اختيار تموجات الألواح ومساحتها لتحقيق أقصى قدر من الاضطراب والاستعادة ضمن مساحة عملية.

ما هي نقطة تكثف الحمض، ولماذا تحد من عملية التعافي؟

يُعد هذا القيد الأهم في استعادة الحرارة من غازات المداخن. فمع تبريد غازات المداخن، تصل في النهاية إلى درجة حرارتها القصوى.نقطة ندى الحمض— درجة الحرارة التي يبدأ عندها حمض الكبريتيك والأحماض الأخرى الموجودة في الغاز بالتكثف. تحت هذه الدرجة، يهاجم السائل المسبب للتآكل المعدن، لذا فإن تبريد الغاز بشكل مفرط يؤدي إلى تآكل سريع للطرف البارد من المسخن المسبق. تعتمد نقطة الندى على محتوى الكبريت في الوقود وتركيب الغاز. لذلك، يوازن تصميم وحدة التسخين المسبق بين قوتين: تبريد الغاز بشكل أكبر يستعيد المزيد من الحرارة، لكن نقطة ندى الحمض تحدد حدًا أدنى لا يجب تجاوزه - أو يجب استخدام مواد مقاومة للتآكل لضمان استمرارية العمل. إن تحقيق هذا التوازن الصحيح هو ما يميز وحدة استعادة متينة عن تلك التي تتآكل وتتعطل.

كيف تتم إدارة التآكل في الجزء البارد من الجهاز؟

عندما يدفع التصميم عملية استعادة الحرارة إلى مستوى قريب من نقطة الندى أو أقل منها لالتقاط المزيد من الحرارة،يجب أن يكون الطرف البارد مصممًا ليتحمل التكثيفتعالج تقنية SHPHE هذه المشكلة باختيار مواد ألواح مقاومة للتآكل للقسم البارد، وهندسة ترتيب التدفق لحماية المنطقة الأكثر عرضة للتآكل. يتيح ذلك للمحطة استعادة طاقة أكبر مما يسمح به التصميم التقليدي، دون المساس بالموثوقية. يعتمد الاختيار على نوع الاستخدام: فبالنسبة للوقود منخفض الكبريت، تكون نقطة الندى أقل، ما يسمح باستخلاص أعمق للطاقة بأمان؛ أما بالنسبة للوقود عالي الكبريت، فيبقى التصميم أكثر دفئًا أو يستخدم معادن مُحسّنة. إن مطابقة المادة والتصميم مع غازات المداخن المحددة هي جوهر وحدة استخلاص مُصممة هندسيًا بشكل جيد.

أين يُطبّق استخلاص غازات المداخن؟

ما العائد الذي يمكنك توقعه؟

نظرًا لأن الحرارة المستعادة تحل محل الوقود كل ساعة، فإن العائد يكون عادةً مجزيًا. يساوي التوفير السنوي في الوقود كمية الحرارة المستعادة مضروبة في ساعات التشغيل مضروبة في تكلفة الوقود، مع خصم التكلفة الرأسمالية للمسخن المسبق وأي طاقة إضافية للمروحة لخفض الضغط. في محطات الاحتراق ذات درجات الحرارة العالية وساعات التشغيل الطويلة، غالبًا ما تكون فترة استرداد التكلفة بضع سنوات فقط، وخفض الانبعاثاتيُضيف ذلك قيمةً إضافيةً في ظل تسعير الكربون. وتتحسن الجدوى الاقتصادية كلما ارتفعت درجة حرارة غازات الاحتراق وزادت ساعات تشغيل المحطة، ولذلك تُعدّ العمليات المستمرة كثيفة الاستهلاك للطاقة الخيار الأمثل. ويمكن للمختصين وضع نموذج للاسترداد، وقيد نقطة الندى، وفترة استرداد التكاليف لمدخنة محددة.

ما هي الأخطاء الشائعة في استعادة غازات المداخن؟

تُقوّض عدة أخطاء يمكن تجنبها مشاريع استعادة غازات المداخن. أولها هومع تجاهل نقطة تكثف الحمض— تصميمها بهدف استعادة الحرارة القصوى فقط، ثم تعرضها لتآكل سريع في الطرف البارد لأن الغاز تم تبريده إلى ما دون درجة حرارة التكثيف دون استخدام مواد مناسبة. أما الثاني فهوالتقليل من تقدير انخفاض الضغطإضافة سخان مسبق تزيد من مقاومة جانب الغاز وجانب الهواء، وإذا لم تتمكن المراوح من توفير الضغط الإضافي، فإن السحب والاحتراق يتأثران سلبًا. أما الثالث فهواستخدام علم المعادن الخاطئبالنسبة للوقود، يحتاج الوقود عالي الكبريت إلى طرف بارد أكثر مقاومة للتآكل من الغاز النظيف. أما الرابع فهوالتعامل مع الوحدة كوحدة عامةبدلاً من تحديد حجمها وفقًا لظروف المدخنة الفعلية، مما يُقلل من إمكانية استعادة الطاقة. ويكمن تجنب هذه المشاكل في تصميم هندسي سليم يعتمد على الوقود الحقيقي وتركيبة الغاز والنظام، وهذا تحديدًا ما يُقدمه المتخصص.

لماذا تُستخدم تقنية الألواح لاستخلاص الغاز من الغاز؟

يُعدّ نقل الحرارة بين الغازات أصعب بطبيعته من نقلها بين السوائل، لأن الغازات تتميز بمعاملات نقل حرارة أقل، مما يُجبر المبادل الحراري على بذل جهد أكبر لاستعادة كمية معينة من الحرارة. يُساعد تصميم الألواح على ذلك باستخدام أسطح مموجة تُولّد اضطرابًا وتُوفّر مساحة كبيرة لنقل الحرارة ضمن بنية ملحومة مُدمجة، مما يُتيح استعادة طاقة أكبر لكل متر مكعب من المعدات مقارنةً بالمُسخّن الأنبوبي البسيط. وبفضل اللحام الكامل، يتجنّب هذا التصميم أيضًا التسرب بين تيارات الهواء الذي يُقلّل من كفاءة المُسخّنات الدورانية التجديدية، بحيث تصل جميع الحرارة المُستعادة إلى هواء الاحتراق. بالنسبة للمصانع التي تسعى جاهدةً لتحقيق أقصى استفادة من وحدة مُدمجة وموثوقة وخالية من التسرب، تُعدّ تقنية الألواح الخيار الأمثل، ولذلك تُصمّم شركة SHPHE مُسخّنات الهواء الخاصة بها استنادًا إلى نفس الخبرة في الألواح المموجة والملحومة التي تُشكّل أساس جميع منتجاتها.

بصفتنا شركة متخصصة في تصنيع المبادلات الحرارية ذات الألواح،SHPE(شركة شنغهاي لمعدات نقل الحرارة المحدودة) تقوم بتصميم أنظمة استعادة الحرارة المهدرة لغازات المداخن وأنظمة التسخين المسبق للهواء حسب الطلب، مدعومة بشهادة ASME/NB/CE/BV/SGS وأكثر من 30 براءة اختراع.

كيف تبدأ مشروع التعافي؟

يبدأ مشروع استعادة غازات المداخن بالبيانات، وليس بالمعدات. اجمعشروط المكدس— تدفق الغاز ودرجة حرارته وتركيبه — الـنوع الوقود ومحتواه من الكبريت(الذي يحدد نقطة الندى)،تدفق هواء الاحتراق والتسخين المسبق المستهدفبالإضافة إلى ساعات تشغيل المحطة وتكلفة الوقود. وباستخدام هذه البيانات، يستطيع المختص تحديد كمية الحرارة القابلة للاسترداد، ونمذجة وفورات الوقود والانبعاثات، وتحديد حد التبريد الآمن، وتصميم مسخن هواء مسبق ذي ألواح لالتقاط أكبر قدر من الطاقة التي تسمح بها نقطة الندى. والنتيجة هي تصميم، وتقدير لفترة استرداد التكاليف، وصورة واضحة لعملية التحديث. ولأن التوفير مستمر والعائد قوي، فإن جمع هذه البيانات يُعد خطوة صغيرة تُتيح القيام بواحدة من أعلى استثمارات الكفاءة قيمةً التي يُمكن أن تُجريها محطة احتراق.

الأسئلة الشائعة

المصادر والمزيد من القراءة: معلومات عن منتجات SHPHE؛ الممارسات العامة لاستعادة الحرارة المهدرة من غازات المداخن. تعتمد نقطة تكثف الحمض ونسبة الاستعادة على تركيبة الوقود والغاز - تأكد من ذلك من خلال التصميم الحراري.