Uma unidade alimentada a carvão de 250 MW com captura pós-combustão pode enviar 1,2 a 1,6 milhões de toneladas de gases de combustão através do seu absorvedor todos os anos. O absorvedor em si geralmente não é o item limitante. Os problemas mais difíceis são térmicos: arrefecer os gases de combustão de 140°C para cerca de 45°C, fornecer 100 a 150 toneladas por hora de vapor de baixa pressão ao refervedor e manter as superfícies de troca de calor limpas e resistentes à corrosão durante uma campanha de 20 anos.
É por isso que as unidades de captura de carbono devem ser especificadas como sistemas integrados de recuperação de calor, e não como uma coluna independente mais um pacote de solventes. O equipamento que lida com o resfriamento dos gases de combustão, o aquecimento do condensado e a geração de vapor do refervedor determina se a planta de captura atende à meta de penalidade de energia ou se consome silenciosamente mais vapor do que o projeto prometido. Este artigo explica onde ficam essas funções térmicas, quais componentes as suportam e o que verificar antes de emitir um pedido de compra.
Por que as unidades de captura de carbono são os primeiros sistemas térmicos
A maioria das unidades operacionais de captura de carbono usam solventes aquosos de amina. A etapa de regeneração é a maior carga de calor contínua. Dependendo da formulação do solvente, da carga de CO2 e da pressão do stripper, o refervedor consome cerca de 2,8 a 3,6 GJ por tonelada de CO2 capturado. Para uma planta de captura de 1 milhão de toneladas por ano, isso se traduz em 100 a 150 toneladas por hora de vapor saturado, geralmente de 0,3 a 0,5 MPa. Se o vapor vier de um ciclo de turbina existente, ele reduzirá a produção líquida de energia; se vier de caldeira auxiliar, acrescenta custo de combustível e emissões.
Três funções térmicas dominam o equilíbrio da planta:
- Resfriamento de gases de combustão e remoção de água antes do absorvedor, normalmente de 120–160°C até 40–50°C.
- Fornecimento de vapor do refervedor com pressão e temperatura estáveis, com baixo risco de arraste.
- Troca de calor de solvente pobre/rico e resfriamento de produto CO2, que influenciam a degradação do solvente e a energia de compressão.
Cada plantão tem uma resposta de equipamento diferente. O ponto comum é que os trocadores de calor de superfície estendida e as caldeiras de recuperação de calor residual podem recuperar energia que, de outra forma, seria rejeitada para a água de resfriamento ou para a chaminé. Essa recuperação compensa diretamente a demanda de vapor da planta de captura.
Resfriamento de gases de combustão e recuperação de calor
Economizador para gás de combustão traseiro da caldeira Temperatura dos gases de combustão de entrada | 120-200°C | | Temperatura dos gases de combustão na saída | 100-150°C | | Temperatura da água de alimentação de entrada | 80-120°C | | Temperatura da água de alimentação de saída | 150-20... Ver Produto → Na entrada de uma unidade de captura, o gás de combustão é muito quente e úmido para a maioria dos absorvedores de amina. A têmpera direta com água é simples, mas consome água tratada e envia o calor recuperado para a atmosfera. Um trocador de calor indireto recupera o calor sensível enquanto resfria o gás para a janela do absorvedor. O calor recuperado pode pré-aquecer a água de alimentação da caldeira, a água de retorno do aquecimento urbano ou o ar de combustão.
Para unidades alimentadas a carvão e biomassa, a secção de arrefecimento dos gases de combustão muitas vezes parece um economizador de baixa temperatura. O desafio do projeto não é o coeficiente de transferência de calor; é o ponto de orvalho ácido. Quando a parede do tubo cai abaixo do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, forma-se condensação e começa a corrosão. A solução prática é manter a temperatura do metal acima do ponto de orvalho durante a operação normal ou especificar materiais resistentes à corrosão, como aço ND, Corten ou aço inoxidável, onde a operação não pode evitar a condensação.
Um economizador de gás de combustão final é uma escolha comum porque pode ser integrado a jusante do pré-aquecedor de ar existente, usando o calor capturado para aumentar a temperatura da água de alimentação ou para gerar vapor de baixa pressão. A mesma unidade pode reduzir a carga de resfriamento no resfriador de contato direto, o que reduz o consumo de água e a dosagem de produtos químicos. Em um retrofit de captura, esta é muitas vezes a maneira mais barata de recuperar parte da penalidade energética.
Fornecimento de vapor para regeneração: HRSG e funções da caldeira de calor residual
Caldeira de calor residual industrial Volume de gases de combustão |320.000 Nm³/h| | Temperatura dos gases de combustão na entrada |450°C| | Temperatura dos gases de combustão na saída |100°C| | Taxa de evaporação de vapor |3,8-54,5 t/h| | Pressão do vapor |0.... Ver Produto → As unidades de captura de carbono precisam de vapor e precisam dele de forma confiável no refervedor. Em usinas de ciclo combinado, o gerador de vapor com recuperação de calor (HRSG) pode fornecer vapor de extração a partir de um estágio de pressão intermediário. Em locais industriais, uma caldeira de calor residual pode recuperar o calor da exaustão do forno, processar gases de escape ou exaustão da turbina a gás para produzir o vapor necessário. A principal questão de seleção é se a fonte de vapor pode seguir o perfil de carga da planta de captura sem perturbar o processo hospedeiro.
Uma caldeira de calor residual projetada para serviço de captura deve lidar com dois modos de operação: operação de captura normal e bypass de captura. Durante o bypass, a caldeira pode apresentar temperaturas mais elevadas dos gases de combustão ou taxas de fluxo diferentes. O sistema de controle, o dimensionamento do tambor e as superfícies do superaquecedor ou do evaporador devem tolerar ambos. Se o refervedor necessitar de vapor saturado, a caldeira deve ser especificada com espaço de vapor adequado e eficiência de separador para evitar arrastamento, que pode sujar o solvente e danificar o removedor.
Quando a planta hospedeira já tiver um HRSG, a unidade de captura poderá usar vapor de baixa pressão do tambor de baixa pressão ou uma extração. Isso é muitas vezes mais barato do que uma caldeira nova, mas não é gratuito: o vapor já passou por um estágio de turbina, portanto, usá-lo para regeneração reduz a produção de eletricidade. Uma caldeira de calor residual dedicada às vezes pode recuperar calor de um fluxo que de outra forma seria ventilado, transformando um fluxo residual em serviço de refervedor.
Seleção de componentes: tubos com aletas, materiais e limpeza
Tubo com aletas tipo H Tubo OD 25-65mm Espessura da parede do tubo ≥3mm Dimensões da aleta 70mm×70mm, 75mm×75mm, 95mm×89mm, etc. Espessura da aleta 0,3-0,4mm Passo da aleta 3-10mm Material: Aço carbono, aço inoxidável... Ver Produto → Dentro do resfriador de gases de combustão, economizador e pré-aquecedor de água de alimentação do refervedor da unidade de captura, a superfície do tubo faz o trabalho. Superfícies estendidas aumentam a área do lado do gás sem aumentar o envelope de pressão. A escolha entre tubos com aletas tipo H, tubos com aletas em espiral e tubos lisos afeta a transferência de calor, a incrustação e a estratégia de limpeza.
| Parâmetro | Tubo com aletas tipo H | Tubo com aletas em espiral | Tubo liso |
|---|---|---|---|
| Área de transferência de calor por unidade de comprimento | Moderado a alto | Alto | Baixo |
| Resistência à incrustação em gás carregado de cinzas | Bom; canais abertos resistem à ponte | Moderado; lacunas nas aletas podem obstruir | Pegada boa, mas grande |
| Método de limpeza | Sopradores de fuligem, lavagem com água | Sopradores de fuligem, lavagem cuidadosa com água | Sopradores de fuligem, limpeza mecânica |
| Ajuste típico na unidade de captura | Refrigerador de gases de combustão, economizador | Gás limpo ou serviço de baixa incrustação | Alto-temperature or abrasive duty |
A seleção de materiais segue a mesma lógica. O aço carbono é aceitável acima do ponto de orvalho ácido. Para temperaturas mais baixas do metal, considere classes resistentes à corrosão ou um revestimento protetor. A junta do tubo ao coletor é uma solda crítica: ela deve ser estanque durante o ciclo térmico, porque mesmo um pequeno vazamento pode contaminar o circuito de solvente ou criar um ponto frio que acelera a corrosão.
A incrustação e o acesso para limpeza devem ser decididos na fase de layout. Uma unidade de captura que parece eficiente em um balanço de calor e massa pode perder de 10 a 15% de seu desempenho de transferência de calor dentro de alguns meses se as pistas de sopro de fuligem estiverem bloqueadas ou se o passo do tubo for muito apertado para a carga de cinzas esperada. Os tubos com aletas do tipo H são frequentemente escolhidos para gases de combustão derivados de carvão porque seus canais retos são mais fáceis de limpar do que as aletas espirais densas.
Verificações de riscos de aquisição e engenharia
Os trocadores de calor e as caldeiras de calor residual em uma unidade de captura de carbono são peças de pressão. Eles devem ser projetados, soldados, inspecionados e documentados de acordo com um código reconhecido. Na maioria dos projetos internacionais, o Código ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão, Seção I ou Seção VIII, se aplica, dependendo do componente e da jurisdição. A ISO 9001 e a ISO 3834-2 fornecem a estrutura de gerenciamento de qualidade e fabricação de soldagem. Para obter uma lista de verificação prática de conformidade das peças de pressão, consulte este Guia de conformidade de peças de pressão ASME para engenheiros .
Antes de celebrar um contrato, faça três perguntas:
- O fornecedor pode realizar a classificação térmica e o projeto mecânico juntos ou está passando uma folha de dados para um fabricante? As unidades de captura geralmente têm espaços apertados e condições variáveis de gases de combustão. Um fornecedor que pode executar verificações de entrada de calor e converter desenhos de projeto em desenhos de fabricação reduz o risco de interface.
- Qual é o plano de soldagem e inspeção? Linhas de soldagem automatizadas e imagens radiográficas ou de raios X em tempo real não são detalhes de marketing; eles determinam se as soldas do tubo ao coletor passam no teste de vazamento de hélio e sobrevivem ao ciclo térmico.
- Qual é a evidência de entrega e capacidade? Grandes projetos EPC precisam de visibilidade de tonelagem. Um fabricante com produção anual acima de 20.000 toneladas e experiência em energia, petroquímica e indústria pesada geralmente consegue absorver melhor as mudanças de cronograma do que uma pequena oficina.
Também ajuda a revisar o histórico de engenharia e a experiência de exportação do fabricante antes do esclarecimento técnico da proposta. Para projetos em diversas jurisdições, os pacotes de documentação, a rastreabilidade de materiais e a coordenação de inspeção de terceiros são tão importantes quanto o projeto térmico. É mais provável que um fornecedor que tenha feito entregas para mais de 50 países já tenha procedimentos para esses requisitos em vigor. Você pode revisar o histórico de engenharia e fabricação do fabricante como parte do processo de pré-qualificação.
As unidades de captura de carbono têm sucesso ou falham na integração de calor. O absorvedor e o solvente recebem a maior parte da atenção, mas o resfriador de gases de combustão, o economizador, a caldeira de calor residual e as superfícies dos tubos aletados decidem quanto vapor o refervedor realmente precisa e quanto da penalidade de energia da planta pode ser recuperada. Inicie a especificação térmica antecipadamente, mantenha o ponto de orvalho ácido e as margens de incrustação visíveis no layout e escolha fornecedores de peças sob pressão que possam demonstrar conformidade com o código, qualidade de soldagem e capacidade para grandes entregas de EPC. Bem feito, o equipamento de recuperação de calor não é um complemento da unidade de captura; é a parte que torna a unidade de captura economicamente sustentável.
