Come vengono utilizzati gli scambiatori in PTFE nel preriscaldamento dell'aria di combustione con gas di scarico acidi?

I gas di scarico di una caldaia o di un forno sono una miscela di gas caldi, saturi di vapore acqueo- con sostanze chimiche acide prodotte da zolfo, cloro e prodotti di combustione. Se questo gas viene semplicemente rilasciato nel camino, il suo calore sensibile e l'energia latente nel vapore acqueo vengono persi. Questo calore corrosivo di bassa qualità può essere recuperato in modo sicuro e trasferito nel flusso d'aria di combustione in entrata per mezzo di uno scambiatore di calore in PTFE, montato nell'estremità fredda del sistema di scarico dei fumi. Lo scambiatore di calore migliora l'efficienza termica e resiste alla dannosa condensa che rovina le apparecchiature metalliche convenzionali.

L’attuale sistema di preriscaldamento dell’aria comburente dei fumi con scambiatore in PTFE opera in una delle condizioni più aggressive nei trattamenti termici industriali. Lo scambiatore è posto nella zona più aggressiva del camino dove cade la pioggia acida.

Perché i gas di scarico acidi uccidono gli scambiatori convenzionali
Quando i gas di combustione si raffreddano, il vapore acqueo si condensa fuori dallo scarico.

Generazione del punto di rugiada acido
I gas di combustione tipicamente contengono:

Anidride solforosa (SO2)

Triossido di zolfo SO3

Cloruro di idrogeno HCl

Vapore acqueo

Quando la temperatura scende al di sotto del punto di rugiada acido, queste sostanze chimiche si mescolano con l'umidità condensata per generare liquidi altamente corrosivi come:

Acido solforico;

*Acido cloridrico

Il punto di rugiada acido preciso è determinato da:

Zolfo nel carburante

Inquinamento da cloro

Concentrazione di umidità

Eccesso di aria per la combustione

La composizione dei gas del camino

In molti sistemi questa zona di condensa degrada rapidamente l'acciaio al carbonio e persino gli scambiatori di calore in acciaio inossidabile.

Il problema della corrosione-a freddo
La condensa acida aggredisce la superficie dei tubi negli economizzatori metallici convenzionali provocando la "corrosione a freddo-."

Tipiche modalità di guasto sono:

Corrosione per vaiolatura

Assottigliamento generale delle pareti

Cracking da corrosione da stress (SCC)

Attacco e depositi di solfati

Una volta iniziata la condensazione, la velocità di corrosione aumenta rapidamente.

Gestione della condensa acida con uno scambiatore in PTFE
Il PTFE offre una risposta fondamentalmente diversa in quanto è chimicamente inerte alla condensa acida.

Struttura del tubo in PTFE
Per un design tipico:

Flusso dei fumi caldi attraverso il lato mantello

L'aria di combustione fredda fluisce i tubi in PTFE.

Quando il gas di scarico si raffredda al di sotto del punto di rugiada acido, l'umidità acida si condenserà direttamente all'esterno dei tubi in PTFE.

Questo non è il caso delle superfici metalliche, dove il PTFE è totalmente inalterato.

Resistenza agli acidi cloridrico e solforico
Il PTFE ha una resistenza molto forte a:

Condensato di acido solforico

Goccioline di acido cloridrico

Umidità carica di cloruro-

Depositi di solfato acido

L'immunità chimica dello scambiatore ne garantisce il funzionamento nella zona di condensazione, dove gli scambiatori metallici si degradano rapidamente.

Recupero del calore latente dei fumi
Non solo il recupero del calore sensibile, ma anche la condensazione del calore latente offrono il maggiore miglioramento dell’efficienza.

La condensazione come fonte di energia
Sulla condensazione del vapore acqueo:

Il rilascio di grandi quantità di calore latente

Questo calore viene trasferito attraverso la parete del tubo in PTFE al flusso d'aria di combustione in entrata.

La conducibilità termica del PTFE è piuttosto bassa rispetto ai metalli ma lo scambiatore compensa:

Ampia area per il trasferimento del calore

tubi a parete sottile

Meccanismi di trasferimento del calore di condensazione

Preriscaldamento dell'aria comburente
L'aria di combustione viene quindi preriscaldata ed entra nel sistema del bruciatore a una temperatura più elevata.

Ciò riduce il carburante necessario per ottenere:

Temperatura target della fiamma

Temperatura del forno

Produzione di vapore in una caldaia

Il risparmio di combustibile può essere tale da incrementare il rendimento termico complessivo di diversi punti percentuali.

Vantaggi delle superfici idrofobiche
Un altro vantaggio operativo significativo del PTFE è che .

Drenaggio della condensa
La superficie liscia e antiaderente in PTFE- favorisce l'umidità acida per:

Goccioline

Scolare bene.

Evitare l'accumulo di pellicola

Ciò riduce al minimo la produzione di grandi strati di fluido isolante che altrimenti ridurrebbero l'efficienza del trasferimento di calore.

E il risultato:

Prestazioni termiche migliorate

Meno incrostazioni.

Manutenzione meno frequente

Limiti di temperatura e progettazione del sistema
Tuttavia, i limiti termici del PTFE devono ancora essere adeguatamente mantenuti.

Temperatura massima continua
Le limitazioni del PTFE riguardano tipicamente:

Temperatura di servizio continuo 110 gradi

Pertanto la posizione dello scambiatore deve essere in un punto in cui la temperatura dei fumi è già inferiore a tale limite o è scesa al di sotto di questo punto.

Strategie per il pre-raffreddamento
Alcuni modi comuni sono:

Miscelazione con aria di diluizione

Raffreddamento del gas a monte

Fasi di recupero del calore nel-processo

Controllo bypass dello scarico

Un buon controllo termico protegge i tubi in PTFE dal surriscaldamento e dalla distorsione meccanica.

Gestione della condensa
Il trattamento della condensa acida è un aspetto importante della progettazione del sistema.

Progettazione del sistema di drenaggio
Lo scambiatore sarà composto da:

Zone di raccolta in pendenza

Scarichi resistenti alla corrosione

Rimozione continua della condensa

L'accumulo di condensa può impedire il trasferimento di calore e favorire la formazione di incrostazioni.

Requisiti per la neutralizzazione
Il liquido acido raccolto è solitamente:

Neutralizzato prima dello smaltimento

Sono stati trattati i sistemi delle acque reflue

Monitoraggio della conformità del pH

La condensa può contenere componenti concentrati di acido solforico e cloridrico e in generale non può essere rilasciata senza trattamento.

Nota Sistema
Requisiti di pulizia sul lato-del guscio
Con il tempo, potrebbe verificarsi un accumulo di particolato-di fuliggine, cenere o residui di combustione sul lato mantello dello scambiatore.

Per mantenere le prestazioni, i sistemi solitamente contengono quanto segue:

Soffiatori di fuliggine

Sistemi di nebulizzazione con lavaggio ad acqua

Lavare periodicamente con prodotti chimici

Aperture di ispezione accessibili

Poiché il PTFE è chimicamente inerte, è possibile utilizzare processi di pulizia rigorosi senza danneggiare le superfici del tubo.

Vantaggi rispetto agli economizzatori in metallo
Gli scambiatori in PTFE offrono diversi vantaggi operativi nel servizio di recupero acidi.

Resistente alla corrosione
Il PTFE non dipende: a differenza dei sistemi metallici:

Film di ossido di passivazione

Inibitori della corrosione

rivestimenti protettivi sacrificali

Il PTFE non è un problema per la corrosione-a freddo che corrode gli economizzatori di metallo.

Affidabilità a lungo termine
Gli scambiatori in PTFE possono offrire:

Vita lavorativa prolungata

Prestazioni termiche in stato stazionario

Spese di manutenzione inferiori

Ridotta possibilità di fuoriuscita di acido

soprattutto nei flussi di scarico contenenti zolfo- o cloruro-.

Uso industriale
I sistemi di recupero del calore dei fumi in PTFE trovano sempre più impiego in:

Inceneritore di rifiuti

Caldaie con olio combustibile solforoso

Riscaldatori per processi chimici

Sistemi di combustione di biomasse

Forni per la lavorazione dei metalli

Queste applicazioni generalmente producono flussi di scarico di condensa acida aggressivi che sono incompatibili con le apparecchiature convenzionali di recupero del calore metallico.

Conclusione:
Lo scambiatore di calore in PTFE offre un'opzione robusta e resistente alla corrosione per recuperare il calore di scarto dai flussi di gas di scarico acidi. Lo scambiatore consente la condensazione diretta dell'umidità su tubi in PTFE chimicamente inerti con raccolta del calore sia sensibile che latente e sicura resistenza all'aggressione dell'acido solforico e cloridrico.

L'energia recuperata viene fornita all'aria di combustione in entrata, riducendo così il consumo di carburante e aumentando l'efficienza termica complessiva. Naturalmente i requisiti di progettazione come un buon drenaggio della condensa, la pulizia periodica sul lato del guscio e un'attenta gestione della temperatura rimangono importanti, in particolare perché il PTFE è limitato all'uso continuo al di sotto di circa 110 gradi.

In condizioni di camino corrosivo in cui gli economizzatori convenzionali sono soggetti all'assalto degli acidi a freddo-, la tecnologia PTFE converte un processo di condensazione dannoso in una fonte benefica di energia recuperabile. Il percorso verso la riduzione del consumo di carburante e delle emissioni di carbonio è sempre più supportato da materiali in grado di resistere agli aspetti chimicamente più aggressivi del settore dei processi termici.