Utilizarea energiei termice din resurse energetice secundare

Utilizarea energiei termice din resurse energetice secundare

Definirea resurselor energetice secundare

Orice proces tehnologic industrial, sau de alta natura, utilizeaza pt. desfasurarea sa o anumita cantitate de energie primita din exterior, in urma arderii combustibililor sau direct - sub forma de energie electrica/ termica. De asemenea, o parte din ea poate rezulta din insasi desfasurarea procesului tehnologic, sub forma de caldura degajata din reactiile exoterme. Acestea pot avea loc intre produsele intrate in proces sau intre produsele tehnologice si mediul in care se desfasoara procesul.

In practica, in cadrul procesului sau agregatului tehnologic nu se utilizeaza intreaga energie disponibila. Resursele energetice - de toate formele - neutilizate poarta denumirea de resurse energetice secundare RES.

Din considerente tehnice si de eficienta economica nu pot fi utilizate decat o parte din RES rezultate. Cota parte din acestea care poate fi refolosita eficient economic se numeste resursa energetica refolosibila RER. Ea depinde de potentialul energetic al resurselor, de stadiul de dezvoltare a tehnologiei recuperarii si de nivelul de referinta al costului energiei si materialelor utilizate. Valoarea RER ale unor anumite RES are un caracter dinamic in timp; ceea ce astazi nu este posibil sau nu se justifica economic a fi recuperat din RES, maine poate deveni posibil tehnic si eficient economic, sau invers. Pe masura ce tehnologiile recuperatoare si nivelul costurilor evolueaza, o serie de RES vor putea fi utilizate sau nu or mai utilizate deloc.Continutul de energie al RES care nu se recupereaza se pierde in mediul ambiant.

Definirea si calculul RES se face pentru un contur de referinta, care include partea din instalatie sau subansamblul avut in vedere. Aceasta este impusa de faptul ca exista situatii in care procesul de productie se realizeaza in mai multe agregate sau instalatii, formand un ansamblu unitar sub forma unui agregat complex sau a unei linii tehnologice. Este posibil ca de la un agregat sa rezulte unele forme "secundare" de energi, care pot fi utilizate mai departe in celelalte subansamble ale sale, pt. realizarea aceluiasi produs finit.

Pt. a caracteriza o RES, atat dpdv calitativ (al nivelului termic), cat si cantitativ (al continutului sau energetic), trebuie specificat si conturul de referinta. Pe masura ce acesta se extinde pe mai multe subansamble ale aceluiasi agregat sau flux tehnologic, continutul sau de energie se diminueaza (fie din cauza recuperarii pe parcurs a unei parti din energia continuta de ele, fie datorita pierderilor in atmosfera determinate de transportul RES intre diversele subansamble).

2 Cauzele apartiei RES

Cauzele aparitiei RES sunt imperfectiunile de natura energetica ale proceselor care au loc in conturul considerat. Cu cat este mai mare continutul de energie al RES, cu atat procesele din conturul respectiv au loc cu randamente energetice mai scazute. Nivelul cantitativ al RES care rezulta dintr-un proces este dpdv energetic un "barometru" al acestuia. Se impune ca procesele tehnologice sa se desfasoare astfel incat cantitatile de RES rezultate (pierderile de energie) sa fie cat mai mici.

Din acest punct de vedere, pierderile care apar in timpul desfasurarii unui proces sunt:

1. datorate naturii procesului tehnologic si caracteristicilor tehnico - constructive ale agregatului
2. datorate conditiilor momentane de desfasurare a procesului, de exploatare si intretinere a agregatului in care au loc.

A-Pierderile de energie datorate naturii procesului tehnologic si caracteristicilor tehnico - constructive ale agregatului

Ele depind exclusiv de natura procesului care are loc si de modul de desfasurare a acestuia in timp, conform conditiilor tehnologice. In cazul proceselor pirotehnologice temperatura de desfasurare a acestora este determinata strict de proprietatile termodinamice ale produsului final: temperatura de topire (pt. procesele de topire), temperatura de vaporizare (pt. procesele de concentrare a solutiilor), temperatura de tratament termic impusa de natura acestuia, precum si conditiile de presiune date si specificul mediului gazos din camera de lucru.

De ex. temp. de topire a otelului este 1535 C, dar in camera de ardere trebuie asigurata o temp. de 1550 C. Deci gazele de ardere evacuate din cuptor au temp. ridicate.

Temperatura impusa de desfasurarea procesului tehnologic determina si alte pierderi termice ale acestuia in mediul inconjurator, cu deseurile evacuate sub forma de zgura si, in anumite cazuri, cu materialul scos din camera de lucru. Ori, toate aceste pierderi de caldura reprezinta RES, care cresc odata cu marirea temperaturii de desfasurare a procesului tehnologic.

Un alt factor tehnic, care decide marimea RES rezultate, este tipul constructiv al agregatului tehnologic utilizat pt. acelasi proces.

Procesele de schimb de caldura intre doua medii (agenti termici) impun ca temperatura medie a mediului care cedeaza caldura sa fie cat mai mare decat a celui care se incalzeste. Cu cat aceasta diferenta este mai mica, cu atat mediul incalzit preia maimulta caldura, dar creste suprafata de schimb de caldura a aparatului respectiv, deci si costul acestuia.

De aceea, pt. un anumit tip de proces tehnologic cu schimb de caldura si un anumit tip de aparat in care are loc acest proces, marimea diferentei medii de temperatura intre cei doi agenti termici se stabileste pe baza calculelor tehnico-economice de optimizare.

In plus, toate procesele de incalzire, topire, vaporizare, uscare etc. presupun schimbul de caldura intre un agent termic de incalzire (gazele de ardere, aburul sau apa fierbinte, aerul sau alti agenti termici) si produsele tehnologice care preiau caldura. De aceea, pt. o anumita temperatura de desfasurare a procesului tehnologic, RES rezultate (sub forma de abur uzat sau condensat, apa calda sau fierbinte, gaze fierbinti, aer cald etc.) vor avea un nivel termic dat de temperatura la care are loc procesul si de diferenta dintre temperatura produselor tehnologice si cea a agentilor termici.

Ca urmare, in cazul proceselor pirotehnice, datorita temperaturii ridicate impusa de desfasurarea lor, RES reprezinta o pondere mare din cantitatea de energie consumata, ajungand la 35 60 % sub forma de gaze fierbinti, 10 15 % sub forma de zgura si alte deseuri si 5 15 % sub forma de caldura evacuata din camera de lucru prin racirea fortata a peretilor. Aceste pierderi cresc, atat in valori relative, dar mai ales in valori absolute (sub forma cantitatii de energie termica continute) odata cu marirea nivelului termic impus de desfasurarea procesului tehnologic.

Deci RES termice, rezultate din aceste procese, se pot reduce in limitele de rentabilitate determinate de calculele tehnico-economice, in functie de natura si modul de desfasurare a procesului tehnologic, precum si a tipului de agregat utilizat.

In concluzie, aceasta categorie de pierderi tehnologice nu pot fi evitate. Marimea lor, insa, depinde de natura proceselor tehnologice, de conditiile impuse de desfasurarea lor si de caracteristicile tehnice si constructive ale agregatelor in care au loc. Aceasta marime se poate stabili (pt. fiecare tip de proces si agregat in parte) pe baza unor calculetehnico-economice de optimizare. Alegerea ulterioara a acestei valori este o problema de optiune tehnologica, care trebuie sa tina cont si de aspectele energetice. Influenta acestora in stabilirea solutiei tehnologice adoptate este cu atat mai mare cu cat creste continutul de energie pe unitatea de produs (cu cat produsul tehnologic este mai energo-intensiv).

2. Pierderile de energie datorate conditiilor momentane de desfasurare a procesului de exploatare si intretinere a agregatului tehnologic in care au loc

Aceste pierderi depind de conditiile concrete de desfasurare a procesului la momentul analizat:

calitatea materiei prime avute la dispozitie;

calitatea energiei utilizate;

starea tehnica a agregatului sau a subansamblelor care intra in conturul considerat;

modul de conducere (de exploatare) a procesului tehnologic.

Daca calitatea materiei prime si a energiei primare utilizate la un moment dat sunt diferite de cele considerate in conditiile de proiectare a instalatiei, atunci pierderile de energie aferente, respectiv cantitatea de RES se pot modifica considerabil.

La arderea combustibililor, calitatea momentana a acestora influenteaza decisiv procesul de ardere si, implicit, pierderile de energie care il insotesc.

In procesul de consum de caldura sub forma de abur, in aparate tip schimbatoare de caldura, modificarea parametrilor aburului utilizat ca agent incalzitor schimba sensibil tempratura si debitul de condensat rezultat, adica modifica pierderile de caldura cu acesta.

Toate aceste pierderi si altele similare, in conditiile functionarii curente, nu pot fi influentate de consumator, care este beneficiarul materiei prime, a combustibilului, a aburului etc. puse la dispozitie la momentul respectiv de diversii furnizori. Dar el poate lua masuri adecvate de exploatare si/sau eventuale modificari simple ale instalatiilor tehnologice care sa mareasca - in limitele tehnico-economice justificate - cantitatea de energie utila din totalul celei consumate, adica sa reduca pierderile de energie, adica RES.

Starea tehnica a agregatului tehnologic si modul conducere a procesuli care are loc in el sunt elemente care depind direct de modul de intretinere curenta si exploatare a acestora. De exemplu, daca in cazul arderii combustibililor clasici, procesul de ardere este condus defectuos de personalul de exploatare, atunci debitul de gaze de ardere evacuate din camera de lucru poate creste sensibil, deci si continutul de substante combustibile inca nearse. Astfel, valoarea RES creste, dar aceasta crestere s-a facut pe baza inrautatirii randamentului energetic al proceului de ardere, deci si al procesului tehnologic.

La utilizarea aburului, functionarea defectuoasa a oalelor de condensat sau murdarirea suprafetelor de schimb de caldura nu mai asigura condensarea integrala a aburului consumat. Din aparatul consumator nu iese condensat, ci emulsie (amestec) de abur si condensat.

Pt. realizarea aceluiasi produs util este necesara cresterea consumului de abur si, deci de combustibil, cu toate ca sub aspectul RES cantitatea si calitatea lor (prin debitul si temperatura emulsiei apa-condensat evacuata din aparat) au crescut.

Un alt exemplu este starea proasta a agregatului datorita intretinerii curente si a exploatarii neglijente, care poate conduce la cresterea diverselor pierderi, considerate drept RES.

Conducerea procesului tehnologic este foarte importanta pentru RES, in special incarcarea corecta a agregatelor.

Reducerea acestor categorii de pierderi energetice se poate face, in general, prin masuri tehnioco-organizatorice insotite uneori de investitii si cheltuieli minore.

Tinand seama de toate categoriile de pierderi energetice care apar in timpul desfasurarii proceselor tehnologice, rezulta ca se poate actiona, in mod curent, asupra celor care sunt influentate de starea tehnicasi de modul de conducere (exploatare) a agregatelor tehnologice. Celelalte categorii de RES depind de natura si modul de desfasurare a proceselor tehnologice, precum si de caracteristicile tehnice si starea tehnica a agregatelor tehnologice. Reducerea acestor categorii de RES (pierderi) se poate face pe baza unor calcule tehnico-economice, cere - de cele mai multe ori - conduc la optiunea privind tehnologia sau tipul de agregat. Analiza utilizariiRES trebuie facuta dupa ce s-au luat toate masurile de marire a randamentelor energetice ale proceselor care au loc in conturul considerat.

3 Tipuri de RES

Continutul de energie al unei RES poate fi de forma:

caldura sensibila a diverselor fluide sau materiale caracterizata de diferenta intre temperatura acestora si aceea a mediului ambiant;

caldura latenta dezvoltata la trecerea dintr-o stare de agregare in alta (prin condensarea vaporilor sau solidificarea lichidelor);

energie chimica potentiala dezvoltata prin arderea RES sau a unor componente ale lor, inclusiv aceea dezvoltata prin reactii exoterme;

energie de suprapresiune continuta de diversele fluide cu presiuni mai mari decat presiunea atmosferica, caracterizata de diferenta intre presiunea la care rezulta RES din agregatele tehnologice si presiunea atmosferica;

energie mecanica rezultata din procesele de franare sau de la bancurile de proba sub sarcina a diverselor masini.

In functie de forma de energie utilizabila, RES pot fi:

RES combustibile care se pot prezenta sub forma de energie chimica continuta in purtatorii de energie solizi, lichizi sau gazosi si care poate fi extrasa prin arderea acestora :

Gaze de ardere rezultate din procesele de oxidare, furnale, cocserie, convertizoare, cubilouri, rafinarii, innobilarea carbunilor, minele de carbune, sonde; practic toti combustibilii organici artificiali avand caracteristici si proprietati foarte apropiate de cele ale combustibililor naturali

Lesii din industria celulozei si a hartiei, care prin continutul ridicat de lignina, dezvolta la ardere cantitati insemnate de Q;

Deseuri lemnoase (cioturi, rumegus, surcele, zdrobitura etc.) care nu se mai justifica a fi utilizate in scopuri de productie pt. obtinerea unor produse tehnologice;

Deseuri de produse agricole (coji de floarea soarelui, puzderie la strangerea recoltei).

2.RES termice, care contin caldura sensibila si/sau cea latenta:

Q sensibila a gazelor de ardere evacuate din agregatele tehnologice;

Q sensibila si latenta a produselor si deseurilor tehnologice fierbinti (zgura de furnal, laminatele, cocsul);

Q sensibila si latenta a aerului umed evacuat din halele industriale si instalatiile de uscare;

Q sensibila si latenta a aburului uzat (rezultat de actionarea cu abur a utillajelor tehnologice - prese, ciocane, compresoare, pompe, ventilatoare) si a aburului secundar saturat (rezultat la purja continua a cazanelor de abur, de la instalatiile tehnologice de vaporizare folosite la concentrarea solutiilor, de la evaporarea la suprafata libera a condensatului sau apei fierbinti sub presiune din rezervoarele inchise);

Q sensibila a condensatului;

Q sensibila a agentilor de racire ai instalatiilor tehnologice

3.RES de suprapresiune, care datorita presiunii la care rezulta din procesele tehnologice (superioare celei atmosferice) se pot destinde, producand lucru mecanic:

gaze de furnal si gaze de ardere cu suprapresiune rezultate de la diverse instalatii cu ardere sub presiune (instalatii de cracare catalitica etc.);

gaze din retelele de transport si distributie;

unele solutii sau fluide cu suprapresiune rezultate din agregatele tehnologice, ca abur, aer compreimat etc.

Datorita pierderilor de presiune care apar in cazul transportului la distanta, diminuandu-le potentialul energetic, RES de suprapresiune se recomanda a fi utilizate cat mai aproape de locul producerii lor.

4.RES sub forma de energie mecanica rezultate ca energie cinetica si/sau potentiala a purtatorilor de energie si care se potvalorifica prin conversie in alte forme de energie:

energia cinetica a vehiculelor aflate in miscar, din transporturile urbane si feroviare, care poate fi valorificata prin conversie in timpul proceselor de franare;

energia obtinuta la bancurile de proba ale masinilor energetice (motoare termice, turbine cu abur sau cu gaze etc.);

energia potentiala a apelor uzate evacuate din instalatiile tehnologice

Din punct de vedere al nivelului termic, RES pot fi:

RES de inalta temperatura care au temperatura peste 300 C;

RES de medie temperatura: cele cu temepratura cuprinsa intre 100 C si 300 C;

RES de joasa temperatura cu temperaturi sub 100 C.

Unele RES apartin simultan mai multor categorii, atat dpdv al formei de energie utilizabila, cat si al naturii lor. De ex. aburul uzat evacuat dintr-un ciocan cu abur reprezinta o RES termica (prin continutul de caldura sensibila si latenta de condensare) si totodata o RES de suprapresiune (prin presiunea pe care o are la evacuarea din ciocan). Un alt ex. sunt gazele de ardere de la gatul furnalului care au o presiune de 2,5 ÷ 4 bar, o putere calorica de cca. 4000 kJ/m3N si o temperatura de 300 ÷ 400 C. Ele se pot utiliza drept RES combustibile sau RES de suprapresiune.

7 Efectele si importanta recuperarii RES

Valorificarea RES industriale reprezinta cea mai importanta si - de multe ori - cea mai eficienta metoda de marire a gradului de utilizare a energiei consumata in instalatiile tehnologice. Efectele recuperarii RES sunt:

de natura economica;

de natura tehnica;

de natura ecologica.

1.Efectele de natura economica

Sunt determinate, in primul rand, de economia de energie realizata direct la nivelul procesului sau agregatului tehnologic al intreprinderii, al platformei sau zonei urbane din care face parte, precum si la nivelul economiei nationale deoarece, in functie de locul utilizarii RES, este influentata direct balanta de energie (inclusiv de combustibil) a intreprinderii sau/si a zonei in care ea este amplasata. Aceasta influenta se manifesta prin reducerea consumurilor energetice la nivelul respectiv, ceea ce - in final - reduce necesarul de energie primara, respectiv de combustibil, la nivelul economiei nationale.

Astfel, la nivelul intreprinderii, scad cheltuielile de productie aferente consumurilor energetice, deci si a pretului de cost al produselor tehnologice, iar la nivelul economiei nationale, acest lucru influenteaza pretul de cost al celorlalte produse in componenta carora intra sau care se bazeaza pe produsele respective.

Economia de energie realizata indirect, prin reducerea pierderilor energetice si a consumurilor efective de energie in domeniul extractiei si transportului combustibilului pana la locul unde se utilizeaza RES. Orice tona de combustibil economisit prin recuperare RES isi mareste valoarea la nivelul economiei nationale prin economia de energie neconsumata in faza extractiei si transportului combustibilului pana la locul unde se utilizeaza RES. Atunci cand combustibilul neste din import, valoarea economiei trebuie calculata lapretul de achizitie a sa pe piata externa.

Pt. economia nationala, la aprecierea importantei recuperarii RES industriale, se tine seama ca economia de combustibil este importanta nu numai ca atare, ci si datorita economiei de consum de mijloace materiale si de munca sociale pt. prospectarea, extractia si transportul combustibilului astfel economisit.

Deci dpdv economic, este mult mai ieftin sa economisesti o tona de combustibil, decat sa o procuri.

2.Efectele de natura tehnica

Importanta recuperarii RES, dpdv tehnic are o influenta asupra modernizarii schemelor tehnologice si ale proceselor de productie. In multe cazuri, prin analiza RES disponibile si cautarea solutiilor de recuperare a lor s-au pus in evidenta imperfectiunile energetice ale proceselor si agregatelor tehnologice, conducand la solutii tehnice noi, imbunatatite. Este cazul, de ex., al inlocuirii unor procese sau agregate tehnologice, cu functionare ciclica, prin unele cu functionare continua, prelungindu-se in acest fel perioada de functionare a agregatelor si reducandu-se durata si costul opririlor pt. reparatii. De asemenea, in anumite situatii, s-au pus in evidenta avantajele intensificarii proceselor de productie existente sau necesitatea renuntarii la ele si trecerea la unele superioare atat dpdv energetic, cat si tehnologic.

Cu aceasta ocazie, in cele mai dese cazuri, se imbunatatesc si indicii tehnico-economici (productivitate si pret de cost al produsului finit) ai proceselor sau agregatelor tehologice.

Din aceste puncte de vedere, prezentam 2 exemple edificatoare:

imbunatatirea energo - tehnologica a proceselor de obtinere a otelului, de la clasicul procedeu cu cuptoare Siemens-Martin, la procedeele actuale cu otelul de convertizor sau cuptoarele electrice;

Tehnologiile si schemele de ansamblu pentru producerea amoniacului (care reprezinta un produs de baza in industria ingrasamintelor azotoase), care au evoluat atat tehnologic, cat si energetic, ajungand astazi la procedeele moderne Salzgitier, Szbetra sau Kellog, caracterizate printr-un inalt grad de recuperare a RES.

3.Efectele de natura ecologica

Importanta recuperarii RES devine din ce in ce mai mare si dpdv ecologic. Astfel, intr-o serie de procese ale industriei chimice si petrochimice rezulta produse secundare toxice, care nu pot fi evacuate direct in mediul ambiant. Fiind, totodata neutralizate (de cele mai multe ori prin ardere) sub aspectul efectelor nocive asupra mediului ambiant.

De asemenea, este de remarcat faptul ca recuperarea RES termice ale proceselor industriale determina reducerea sensibila a emisiei de caldura in mediul ambiant. In acest fel se diminueaza efectele nocive ale acestei emisii asupra echilibrului biologic al pamantului, ceea ce s-ar amplifica odata cu cresterea gradului de industrializare.

8 Etapele analizei recuperarii RES

Inventarierea RES, alegerea directiilor si a solutiilor de recuperare cu stabilirea variantelor si limitelor de recuperare, se face parcurgandu-se urmatoarele etape:

a.        se stabileste conturul asupra caruia se face analiza care poate cuprinde: un subansamblu al unui agregat (de ex. Camera de lucru a unui cuptor), un agregat (inclusiv sau exclusiv eventuala instalatie recuperatoare existenta), un ansamblu de instalatii, o linie tehnologica, o intreprindere, o platforma, o ramura industriala sau pe ansamblul economiei;

b.       se analizeaza energetic procesele ce au loc in conturul considerat - pe baza bilanturilor energetice si exergetice - si se reduc pierderile energetice existente in limitele tehnico-economice rentabile (pt. a se evita recuperarea unor pierderi energetice care pot fi excluse sau diminuate printr-un effort economic mult mai redus decat cel impus de recuperarea lor);

c.        pt. conturul dat si pt. noile valori ale pirderilor, se stabilesc fluxurile energetice ale acestora;

d.       se face analiza cantitativa si calitativa (energetica) a fiecarui flux, fata de conditiile de referinta ale mediului ambiant, rezultand limitarile de natura termodinamica;

e.        se stabilesc posibilitatile tehnice, directiile de recuperare ale fiecarui flux tinand seama, pe de-o parte de continutul de energie si forma de energie continuta, iar pe de alta parte, de necesitatile de energie ale conturului considerat si de variatia lor in cursul functionarii (astfel rezulta limitarile de regim);

f.        se stabileste tipul instalatiilor recuperatore, cu principalele caracteristici tehnico-functionale, rezultand limitarile de natura tehnica;

g.       se face analiza tehnico-economica a eficientei recuperarii RES, tinand seama de economia de energie (combustibil) realizata prin recuperare, fata de investitiile si cheltuielile aferente instalatiei recuperatoare, precum si de eventualele consumuri energetice suplimentare (la nivelul intreprinderii, platformei sau economiei nationale) impuse de acestea. Pe baza acesteianalize se stabileste directia si gradul optim de recuperare a RES inventariate, rezultand tototdata valoarea efectiva Wrer din energie Wres continuta de RES.