Как се използват PTFE топлообменници при охлаждането на горещ, корозивен синтетичен газ от газификатор на биомаса?

Те са средство за въглерод-неутрална енергия, кипящ кипящ слой от дървесен чипс, газифициран в горещ, запалим „синтетичен газ“. Но синтетичният газ, който напуска газификатора, е сурова, гадна, разяждаща, лепкава комбинация от водород, въглероден оксид, кисели катрани и фина пепел. Но преди богатият на енергия-бензин да може да се изгори в двигателя, той трябва да бъде охладен и почистен. Топлообменникът, който първоначално охлажда суровия синтетичен газ, трябва да издържи на яростна атака от корозия, ерозия и замърсяване. Само няколко части от оборудването, например PTFE кожухово-тръбен топлообменник, са в състояние успешно да издържат на такова адско обслужване на първа-линия.

Предизвикателството на охлаждането на суров синтезен газ по време на газификация на биомаса
Газификацията на биомаса е процесът на превръщане на твърда органична материя (дървесен чипс, селскостопански отпадъци или общински боклук) в горима газова смес, наречена синтезиран газ (синтезен газ). Газификаторът работи при високи температури, обикновено от 700 градуса до 1000 градуса. Суровият синтетичен газ, излизащ от реактора, се състои от -богати на енергия газове (H₂, CO, CH₄), както и различни опасни замърсители:

Киселинни кондензати: Ако синтетичният газ се охлади под точката на оросяване, химикали като оцетна киселина, мравчена киселина и солна киселина ще кондензират. Тези киселини са агресивни към нормалната въглеродна стомана и много неръждаеми стомани.

Тежки катрани: Органичните химикали с високо молекулно тегло (полициклични ароматни въглеводороди) се кондензират, за да образуват гъста, вискозна черна катран-субстанция, която прилепва плътно към студените повърхности.

Фина пепел и частици: Ерозията се причинява от увлечени частици овъглен и минерална пепел, които също могат да се натрупват.

Традиционен топлообменник с метална обвивка-и-тръба в това приложение ще се повреди след седмици или дори дни. Киселинният кондензат би ерозирал вътрешната страна на стените на тръбата. Отлаганията от катран постепенно биха запушили газовите канали, което би довело до увеличаване на спада на налягането и в крайна сметка би задушило потока. Почистването на метален обменник, замърсен с катран, е трудно и обикновено изисква силни химикали или механично изстъргване, което разрушава повърхностите на тръбите.

Как PTFE обменник осигурява надеждно охлаждане на синтетичен газ за газификатори на биомаса
Уникалната комбинация на политетрафлуороетилена от химическа инертност, незалепващи характеристики на повърхността и термична стабилност при умерени температури е от полза за приложението за охлаждане на PTFE обменен газификатор на биомаса. При типична настройка-горещият суров синтетичен газ преминава през страната на тръбата на PTFE кожухотръбен топлообменник. Охлаждаща среда, обикновено вода или термично масло, тече от страната на корпуса на PTFE тръбите.

Устойчивост на корозия: устойчив на киселинни кондензати
PTFE е химически инертен към практически всички киселини, включително оцетната, мравчената и солната киселина, присъстващи в кондензата на суровия сингаз. Не е необходим пасивен оксиден слой и няма питинг, корозия в пукнатини или напукване от корозия под напрежение. Дори в случай на охлаждане на синтетичен газ под киселинната точка на оросяване, с течни киселинни покрития, образуващи се върху повърхностите на тръбите, PTFE тръбите са невредими за целия експлоатационен живот на топлообменника. Този имунитет намалява изискването за скъпи високолегирани материали като Hastelloy или Inconel.

Устойчивост на замърсяване:-Незалепващата повърхност предотвратява натрупването-на катран
PTFE тръбите имат гладки стени с ниска повърхностна енергия, които устояват на адхезията на гъсти вискозни катрани, които бързо биха запълнили метален или керамичен обменник. Катранените капчици и кондензатът предпочитат да се образуват нагоре и да се стичат надолу под действието на гравитацията, вместо да образуват лепкав запечен-върху филм. Това само-действие за самопочистване значително намалява времето между задължителните спирания за поддръжка.

Термична производителност
Трябва да се отбележи едно важно технологично ограничение: PTFE е ограничен до максимална непрекъсната работна температура от около 110 градуса (230 градуса F) за намокрената стена на тръбата. Следователно, необработеният синтетичен газ, преминаващ през PTFE обменника, трябва да бъде охладен или предварително охладен от изходната си температура от газификатора (700–1000 градуса) до под 110 градуса. Това обикновено се постига с отделна система за охлаждане нагоре по веригата, често директен воден спрей или радиационен охладител, който охлажда синтезния газ до приблизително 100-105 градуса за много кратко време. Окончателното охлаждане до целевата температура (обикновено 40-60 градуса), необходимо за пречистване надолу по веригата и захранване на двигателя, впоследствие се извършва в PTFE обменника.

Възстановяване на топлината за по-голяма ефективност
Възстановената отпадна топлина от процеса на охлаждане на синтезния газ не се губи. В добре изградена инсталация за газификация на биомаса горещата вода или термалното масло, което отнема топлината от PTFE обменника, се използва за предварително загряване на въздуха за горене на газификатора. Предварителното загряване на въздуха за горене може да подобри общата топлинна ефективност на инсталацията с 10–20% [ ]. Това незабавно намалява потреблението на гориво от биомаса за същото производство на електроенергия. PTFE охладителят е издръжлив, химически сляп бял дроб, който вдишва горещия, нечист и кисел дъх на газификатора и спокойно предава своя огън към цикъла на чиста енергия.

Бележка за процеса: Контрол на замърсяването с катран чрез непрекъснато измиване със спрей
Въпреки че PTFE не залепва, в крайна сметка може да се натрупа тежък катран, особено ако синтетичният газ има необичайно големи количества полициклични ароматни въглеводороди с високо молекулно тегло. По този начин промишлените PTFE топлообменници, предназначени за охлаждане на суров синтетичен газ, обикновено са снабдени със система за промиване със спрей, включена в техния дизайн. Преди да може да се натрупа катранени кондензати, те внимателно се измиват от повърхностите на тръбите (или във входящия газов поток) с помощта на постоянен спрей с вода или разтворител.

Измиването със спрей е или:

Рециклиране на кондензат: Чиста вода или мек алкален разтвор от пречистването надолу по веригата, впръскан при ниско налягане.

Инжектиране на разтворител: Био{0}}разтворител (напр. биодизел или растително масло), който разтваря тежки катрани, без да уврежда PTFE.

Измиването със спрей трябва да се контролира внимателно. Ако потокът е твърде висок, той ще наводни газовия поток, а ако потокът е твърде нисък, ще се замърси. Разпръскващите дюзи са разположени така, че да осигурят пълно покритие на тръбния сноп. Промивната течност, която сега съдържа увлечен катран, напуска обменника и се насочва към сепаратор или единица за обработка. Този активен метод на почистване позволява на PTFE топлообменника да работи месеци или години между интензивните човешки почиствания.

Аспекти на механичния дизайн на PTFE охладители за сингаз
Има някои значителни разлики между PTFE топлообменник за охлаждане на синтетичен газ от биомаса и обикновен PTFE потопяем нагревател или малък топлообменник:

PTFE тръбите обикновено се изработват с дебелина на стената 1-2 mm, което им придава механична здравина и устойчивост на абразия от частиците пепел, пренасяни.

Тръбни опори: Тръбният сноп се нуждае от по-близо опорно разстояние, за да се предотвратят вибрации и провисване, тъй като PTFE има по-нисък модул на еластичност от метала. Могат да се използват перфорирани PTFE или полипропиленови опорни плочи.

Материал на корпуса: Страната на корпуса (верига на охлаждащата вода) може да бъде направена от въглеродна стомана или неръждаема стомана, тъй като не е изложена на корозивния синтетичен газ. Тръба с PTFE облицовка или твърди PTFE тръби (само от страната на тръбата).

Уплътнения и уплътнения: Всички фланцови връзки използват уплътнения от флуорополимер (PTFE или FEP), за да предотвратят изтичане на синтетичен газ.

ОБОБЩЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ: Отключване на ефективна възобновяема енергия от „мръсни“ газови потоци
PTFE топлообменниците предлагат издръжливо, устойчиво на корозия и замърсяване решение за тежкото охлаждане на синтезния газ в съоръжение за газификация на биомаса, осигурявайки по-ефективно и надеждно производство на възобновяема енергия. PTFE модулът работи непрекъснато с малко поддръжка, тъй като е устойчив на киселинни кондензати, които разграждат металите и предотвратява адхезията на катран, която задръства други видове топлообменници. Възстановената топлина подгрява предварително въздуха за горене и подобрява цялостната ефективност на инсталацията, като по този начин увеличава икономичността на биомасата за енергийни проекти.

Някои от най-мръсните, най-разяждащите газови потоци съдържат най-екологичната енергия. Химически безразличното сърце на PTFE топлообменника прави този процес тихо, година след година-охлаждайки горещия дъх на газификатора без оплаквания.