Como os trocadores de PTFE são usados ​​no resfriamento de gás de síntese quente e corrosivo de um gaseificador de biomassa?

Eles são um meio de gerar energia-neutra em carbono, um leito fluidizado e borbulhante de aparas de madeira, gaseificado em uma "gás de síntese" quente e inflamável. Mas o gás de síntese que sai do gaseificador é uma combinação crua, desagradável, cáustica e pegajosa de hidrogênio, monóxido de carbono, alcatrão ácido e cinza fina. Mas antes que a gasolina rica-em energia possa ser queimada em um motor, ela precisa ser resfriada e limpa. O trocador de calor que inicialmente resfria o gás de síntese bruto tem que suportar um ataque violento de corrosão, erosão e incrustação. Apenas alguns equipamentos, por exemplo, um trocador de calor de casco e tubo de PTFE, são capazes de suportar com sucesso esse infernal serviço-de linha de frente.

O desafio de resfriar gás de síntese bruto durante a gaseificação de biomassa
A gaseificação de biomassa é o processo de conversão de matéria orgânica sólida (lascas de madeira, resíduos agrícolas ou lixo municipal) em uma mistura de gás combustível chamada syngas (gás de síntese). O gaseificador funciona em altas temperaturas, geralmente de 700 graus a 1.000 graus. O gás de síntese bruto que sai do reator consiste em gases ricos em energia-(H₂, CO, CH₄), bem como uma variedade de contaminantes perigosos:

Condensados ​​ácidos: Se o gás de síntese for resfriado abaixo do ponto de orvalho, produtos químicos como ácido acético, ácido fórmico e ácido clorídrico irão condensar. Esses ácidos são agressivos ao aço carbono normal e a muitos aços inoxidáveis.

Alcatrões pesados: produtos químicos orgânicos de alto peso molecular (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos) condensam-se para formar uma substância espessa e viscosa semelhante a alcatrão preto-que adere firmemente a superfícies frias.

Cinzas finas e partículas: A erosão é causada por carvão arrastado e partículas de cinzas minerais que também podem se acumular.

Um trocador de calor de{0}}e{1}}tubo de metal tradicional nesta aplicação seria danificado em semanas ou até dias. O condensado ácido corroeria o lado interno das paredes do tubo. Os depósitos de alcatrão obstruiriam gradualmente os canais de gás, o que levaria a um aumento na queda de pressão e eventualmente obstruiria o fluxo. A limpeza de um trocador de metal sujo com alcatrão é difícil e geralmente requer produtos químicos agressivos ou raspagem mecânica que destrói as superfícies do tubo.

Como um trocador de PTFE fornece resfriamento confiável de gás de síntese para gaseificadores de biomassa
A mistura exclusiva de inércia química, características de superfície antiaderente e estabilidade térmica em temperaturas moderadas do politetrafluoretileno beneficia a aplicação de resfriamento de gás de síntese do gaseificador de biomassa do trocador de PTFE. Em uma configuração-típica, o gás de síntese bruto quente passa pelo lado do tubo de um invólucro de PTFE e um trocador de calor tubular. Um meio de resfriamento, geralmente água ou óleo térmico, flui no lado do casco dos tubos de PTFE.

Resistência à corrosão: resistente a condensados ​​ácidos
O PTFE é quimicamente inerte a praticamente todos os ácidos, incluindo os ácidos acético, fórmico e clorídrico presentes no condensado do gás de síntese bruto. Nenhuma camada de óxido passivo é necessária e não há corrosão por pite, corrosão em frestas ou fissuração por corrosão sob tensão. Mesmo no caso de resfriamento do gás de síntese abaixo do ponto de orvalho ácido, com a formação de revestimentos de ácido líquido nas superfícies dos tubos, os tubos de PTFE permanecem ilesos durante toda a vida útil do trocador. Esta imunidade reduz a necessidade de materiais caros de alta liga, como Hastelloy ou Inconel.

Resistência à incrustação: a superfície-antiaderente evita o acúmulo de alcatrão-
Os tubos de PTFE possuem paredes lisas de baixa energia superficial que resistem à adesão de alcatrões espessos e viscosos que preencheriam rapidamente um trocador de metal ou cerâmica. Gotículas de alcatrão e condensados ​​preferem formar gotas sob a ação da gravidade, em vez de formar uma película pegajosa-cozida. Essa ação de{3}limpeza automática reduz bastante o tempo entre as paradas de manutenção obrigatórias.

Desempenho térmico
Uma restrição tecnológica importante deve ser observada: o PTFE está limitado a uma temperatura máxima de operação contínua de cerca de 110 graus (230 graus F) para a parede do tubo umedecida. Portanto, o gás de síntese bruto que passa pelo trocador de PTFE deve ser resfriado ou pré-resfriado da temperatura de saída do gaseificador (700–1.000 graus) para menos de 110 graus. Isto geralmente é conseguido com um sistema de resfriamento separado a montante, frequentemente um spray de água direto ou um resfriador radiante, que resfria o gás de síntese a aproximadamente 100-105 graus em um tempo muito curto. O resfriamento final até a temperatura alvo (geralmente 40-60 graus) necessária para a lavagem a jusante e alimentação do motor é posteriormente feito no trocador de PTFE.

Recuperação de calor para maior eficiência
O calor residual recuperado do processo de resfriamento do gás de síntese não é desperdiçado. Numa instalação de gaseificação de biomassa bem construída, a água quente ou o óleo térmico que retira calor do permutador de PTFE é utilizado para pré-aquecer o ar de combustão do gaseificador. O pré-aquecimento do ar de combustão pode melhorar a eficiência térmica total da planta em 10–20% [ ]. Isto diminui imediatamente o consumo de combustível de biomassa para a mesma produção de energia. O resfriador de PTFE é um pulmão durável e quimicamente cego que respira o hálito quente, impuro e ácido do gaseificador e passa serenamente seu fogo para o ciclo de energia limpa.

Nota de Processo: Controle de Incrustações de Alcatrão Através de Lavagem Contínua por Pulverização
Embora o PTFE seja anti-aderente, o alcatrão pesado pode eventualmente se acumular, especialmente se o gás de síntese contiver quantidades excepcionalmente altas de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos de alto peso molecular. Assim, os trocadores industriais de PTFE destinados ao resfriamento de gás de síntese bruto são geralmente dotados de um sistema de lavagem por spray incorporado em seu projeto. Antes que os condensados ​​de alcatrão se acumulem, eles são removidos suavemente das superfícies do tubo (ou na corrente de entrada de gás) usando um spray constante de água ou solvente.

A lavagem por spray é:

Reciclagem de condensado: Água limpa ou solução alcalina suave proveniente da lavagem a jusante, pulverizada a baixa pressão.

Injeção de solvente: um solvente-bioderivado (por exemplo, biodiesel ou óleo vegetal) que dissolve alcatrões pesados ​​sem danificar o PTFE.

A lavagem com spray deve ser cuidadosamente controlada. Se o fluxo for muito alto, inundará o fluxo de gás e, se o fluxo for muito baixo, causará obstrução. Os bicos de pulverização são posicionados para garantir a cobertura completa do feixe de tubos. O líquido de lavagem, agora contendo alcatrão arrastado, sai do trocador e é direcionado para um separador ou unidade de tratamento. Este método de limpeza ativa permite que o trocador de PTFE funcione por meses ou anos entre limpezas humanas intensivas.

Aspectos de projeto mecânico de resfriadores de gás de síntese PTFE
Existem algumas diferenças significativas entre um trocador de calor de PTFE para resfriamento de gás de síntese de biomassa e um aquecedor de imersão de PTFE normal ou um pequeno trocador de calor:

Os tubos de PTFE são normalmente fabricados com espessura de parede de 1 a 2 mm, o que lhes confere resistência mecânica e resistência à abrasão pelas partículas de cinza transportadas.

Suportes de tubos: O feixe de tubos precisa de um espaçamento de suporte mais próximo para evitar vibrações e flacidez, pois o PTFE tem um módulo de elasticidade menor que o do metal. Podem ser utilizadas placas de suporte perfuradas de PTFE ou polipropileno.

Material do casco: O lado do casco (circuito de água de resfriamento) pode ser feito de aço carbono ou aço inoxidável, pois não fica exposto ao gás de síntese corrosivo. Tubo revestido de PTFE ou tubos de PTFE sólido (apenas lado do tubo).

Juntas e vedações: Todas as conexões flangeadas utilizam juntas de fluoropolímero (PTFE ou FEP) para evitar vazamento de gás de síntese.

RESUMO E CONCLUSÕES: Liberando energia renovável eficiente a partir de fluxos de gás “sujos”
Os trocadores de calor de PTFE oferecem uma solução durável, à prova de corrosão e resistente a incrustações para as duras tarefas de resfriamento do gás de síntese em uma instalação de gaseificação de biomassa, proporcionando uma produção de energia renovável mais eficiente e confiável. A unidade de PTFE funciona continuamente com pouca manutenção, pois resiste a condensados ​​ácidos que degradam metais e evita a adesão de alcatrão que obstrui outros tipos de trocadores. O calor recuperado pré-aquece o ar de combustão e melhora a eficiência geral da planta, aumentando assim a economia da biomassa para projetos de energia.

Alguns dos fluxos de gás mais sujos e cáusticos contêm a energia mais verde. O coração quimicamente indiferente do trocador de PTFE faz esse processo silenciosamente, ano após ano-resfriando o hálito quente do gaseificador sem reclamar.