Ciepło odpadowe w przemyśle – od regeneratorów do pomp ciepła

Odzysk ciepła przemysłowego nie jest technologią XXI wieku. Już w połowie XIX stulecia hutnicy wykorzystywali gorące spaliny do podgrzewania powietrza doprowadzanego do pieców. Zmieniły się materiały, wymienniki i automatyka, ale podstawowa zasada pozostała ta sama: zanim energia opuści komin, chłodnię lub instalację procesową, warto sprawdzić, czy inny proces nie potrzebuje jej bardziej.

Od pieca Cowpera do przemysłowej pompy ciepła

Jednym z kamieni milowych w historii odzysku energii cieplnej była XIX-wieczna metalurgia. W 1856 roku William Siemens wprowadził piec regeneracyjny, w którym gorące spaliny ogrzewały ceramiczne wypełnienie komory. Po zmianie kierunku przepływu zgromadzona energia podgrzewała powietrze potrzebne do spalania.

Rok później Edward Alfred Cowper opatentował własny regeneracyjny nagrzewnicę wielkopiecową. Zamiast wypuszczać wysokotemperaturowe gazy bezpośrednio do otoczenia, część ich energii była zatrzymywana w ceramicznym wypełnieniu, a następnie wykorzystywana do podgrzewania dmuchu kierowanego do wielkiego pieca.

Było to rozwiązanie niezwykle ważne dla hutnictwa. Gorętszy dmuch oznaczał mniejsze zużycie paliwa i możliwość osiągania wyższych temperatur procesu.

W XX wieku odzysk ciepła stał się standardowym elementem kotłów, turbin, sprężarek, pieców przemysłowych i instalacji chemicznych. Do klasycznych rekuperatorów i regeneratorów dołączyły kotły odzysknicowe, ekonomizery, układy kogeneracyjne i wymienniki procesowe.

Dzisiaj kolejnym etapem są przemysłowe pompy ciepła, magazyny energii cieplnej i obiegi ORC. Pozwalają wykorzystać również strumienie o temperaturze zbyt niskiej, aby opłacało się przesyłać je bezpośrednio do innego procesu.

Gdzie zakład przemysłowy traci ciepło

Według U.S. Department of Energy około 20–50% energii dostarczanej do procesów przemysłowych może ostatecznie opuszczać zakład w postaci ciepła odpadowego. Nie oznacza to, że całą tę energię można ekonomicznie odzyskać.

Źródła różnią się temperaturą, czystością strumienia, ciągłością pracy i dostępnością odbiornika.

W praktyce najłatwiejsze do wykorzystania są stabilne i względnie czyste strumienie cieczy lub gazu. Znacznie trudniejsze są spaliny zawierające pył, związki korozyjne albo składniki kondensujące na powierzchni wymiennika.

Temperatura nie mówi jeszcze, ile energii jest dostępne

Gorący strumień nie musi oznaczać dużego potencjału energetycznego. Równie ważne jest natężenie przepływu.

Dla gazu bez przemiany fazowej przybliżoną moc cieplną można określić z zależności:

Q̇ = ṁ · c_p · ΔT

Załóżmy, że z pieca wypływa 2 kg/s spalin o temperaturze 400°C. Po przejściu przez wymiennik można je schłodzić do 180°C. Dla uproszczonego ciepła właściwego spalin 1,1 kJ/(kg·K):

Q̇ = 2 × 1,1 × 220 ≈ 484 kW

Strumień zawiera więc około 484 kW dostępnego ciepła jawnego w analizowanym zakresie temperatur.

Jeżeli realny układ odzyska 70% tej wartości:

Q̇_odzysk ≈ 339 kW

Przy 6000 godzinach pracy rocznie odpowiada to około:

2,0 GWh ciepła rocznie

To już wielkość, przy której nawet stosunkowo rozbudowany wymiennik może mieć ekonomiczne uzasadnienie.

Obliczenie jest jednak dopiero początkiem. Trzeba jeszcze znaleźć odbiornik zdolny wykorzystać te 339 kW wtedy, kiedy źródło je produkuje.

Najlepszy odzysk nie zmienia postaci energii

Z punktu widzenia energetycznego najkorzystniejszy jest zwykle możliwie bezpośredni transfer.

Jeżeli spaliny o temperaturze 500°C mogą podgrzać powietrze doprowadzane do tego samego pieca, nie ma powodu najpierw zamieniać ich energii na elektryczność.

Typowa hierarchia wykorzystania wygląda następująco:

ten sam proces → inny proces → ogrzewanie → pompa ciepła → produkcja energii elektrycznej

Nie jest to reguła bez wyjątków, ale dobrze pokazuje zasadę dopasowania jakości energii do odbiornika.

Podgrzewanie powietrza do spalania

To bezpośredni następca rozwiązania Siemensa i Cowpera. Rekuperator odbiera energię ze spalin i przekazuje ją do świeżego powietrza kierowanego do palnika.

Każdy kilowat energii wniesiony w ten sposób do pieca zmniejsza ilość paliwa potrzebną do osiągnięcia temperatury procesu.

Podgrzewanie wsadu

Spaliny z pieca mogą podgrzewać materiał przed jego wprowadzeniem do głównej strefy procesowej.

Rozwiązanie jest stosowane między innymi w metalurgii, ceramice i procesach termicznych, w których wsad trafiałby w przeciwnym razie do urządzenia w temperaturze otoczenia.

Produkcja gorącej wody i pary

Jeśli źródło ma odpowiednio wysoką temperaturę, kocioł odzysknicowy może produkować parę dla innego procesu.

Niższe temperatury mogą wystarczyć do przygotowania ciepłej wody technologicznej, mycia lub ogrzewania budynków.

Niskotemperaturowe ciepło potrzebuje pompy ciepła

Duża część przemysłowego ciepła odpadowego występuje przy temperaturach poniżej około 100°C. Są to między innymi układy chłodzenia sprężarek, skraplacze instalacji chłodniczych, chłodzenie maszyn i część wód procesowych.

Energia jest dostępna, lecz jej temperatura może być za niska dla odbiornika.

Przemysłowa pompa ciepła pozwala podnieść poziom temperatury. Przykładowo ciepło z obiegu chłodzącego o temperaturze 35–45°C może zostać wykorzystane do produkcji wody o temperaturze 70–90°C.

Bilans pompy ciepła można zapisać jako:

Q̇_gorące = Q̇_odpadowe + P_elektryczna

Urządzenie nie „produkuje” więc całego ciepła z energii elektrycznej. Większość może pochodzić z odzyskiwanego strumienia odpadowego.

Im mniejsza różnica temperatur pomiędzy źródłem i odbiornikiem, tym korzystniejsze są warunki pracy pompy.

ORC wykorzystuje ciepło do produkcji energii elektrycznej

Jeżeli zakład ma wysokotemperaturowe ciepło, ale brakuje lokalnego odbiornika, jedną z możliwości jest jego konwersja na energię mechaniczną i elektryczną.

Organic Rankine Cycle działa podobnie do klasycznego obiegu parowego, lecz zamiast wody wykorzystuje czynnik organiczny o niższej temperaturze wrzenia.

Rozwiązanie może wykorzystywać między innymi:

• spaliny silników i turbin,
• piece przemysłowe,
• ciepło procesów hutniczych,
• gorący olej termiczny,
• energię geotermalną.

Konwersja ciepła na elektryczność zawsze wiąże się jednak z ograniczeniem termodynamicznym. Im niższa temperatura źródła, tym mniejsza maksymalna możliwa sprawność.

Dlatego ciepło o temperaturze 80°C często znacznie bardziej opłaca się wykorzystać bezpośrednio do ogrzewania niż próbować produkować z niego energię elektryczną.

Magazyn ciepła rozwiązuje problem niedopasowania czasu

Źródło i odbiornik mogą mieć właściwe temperatury, ale pracować w innych godzinach.

Przykładowo piec może generować ciepło w trakcie jednej zmiany, natomiast zapotrzebowanie na gorącą wodę występuje przez całą dobę.

Pomiędzy źródłem a odbiornikiem można wtedy umieścić magazyn energii cieplnej:

• zbiornik wodny,
• złoże kamienne lub ceramiczne,
• materiał PCM,
• magazyn wysokotemperaturowy.

Magazyn nie zwiększa ilości dostępnej energii, ale zwiększa jej użyteczność czasową.

Technologie magazynowania opisujemy szerzej w opracowaniu Magazynowanie energii cieplnej – woda, PCM, stopione sole i termochemia.

Brudne spaliny mogą zniszczyć dobry projekt

Największe potencjały cieplne często występują w procesach, które równocześnie stawiają wymiennikom najtrudniejsze wymagania.

Spaliny mogą zawierać:

• pył,
• sadze,
• opary metali,
• związki siarki,
• chlor,
• substancje kondensujące.

Osadzająca się warstwa zwiększa opór cieplny i spadek ciśnienia. Kwaśny kondensat może prowadzić do szybkiej korozji powierzchni wymiennika.

Dlatego DOE zwraca uwagę, że odzysk ciepła jest znacznie częstszy przy dużych i względnie czystych strumieniach gazowych, natomiast trudniejsze pozostają instalacje z zanieczyszczonymi spalinami.

W praktyce maksymalne schłodzenie strumienia nie zawsze jest właściwym celem. Temperatura za wymiennikiem musi pozostać powyżej wartości powodującej niepożądaną kondensację albo inne problemy technologiczne.

Opłacalność zaczyna się od profilu godzinowego

Sam pomiar temperatury nie wystarcza do oceny projektu.

Audyt powinien określić co najmniej:

• temperaturę źródła,
• strumień masowy,
• ciepło właściwe medium,
• liczbę godzin pracy,
• zmienność obciążenia,
• czystość strumienia,
• temperaturę i moc potencjalnego odbiornika,
• odległość pomiędzy źródłem i odbiornikiem.

Dopiero wtedy można oszacować roczne oszczędności:

Oszczędność ≈ Q_odzyskane × czas pracy × koszt zastępowanej energii

Jeżeli 300 kW odzyskanego ciepła zastępuje energię z kotła tylko przez 500 godzin rocznie, efekt będzie zupełnie inny niż przy pracy przez 7000 godzin.

Znaczenie ma również rodzaj zastępowanego źródła. Jedna MWh odzyskanego ciepła może mieć inną wartość ekonomiczną, gdy zastępuje gaz ziemny, energię elektryczną, parę kupowaną z zewnątrz albo własne ciepło z bardzo sprawnej kogeneracji.

Najpierw ograniczenie strat, dopiero później odzysk

W analizie energetycznej istnieje jeszcze jeden ważny etap. Zanim zaprojektuje się instalację odzysku, należy sprawdzić, czy powstawania danego strumienia ciepła nie można ograniczyć.

DOE rekomenduje kolejność:

ograniczenie strat → ponowne użycie → odzysk

Jeżeli piec traci energię przez nieszczelność, wadliwy palnik albo nadmierny nadmiar powietrza, bardziej racjonalne może być usunięcie przyczyny niż instalowanie większego wymiennika na kominie.

Podobnie ciepło sprężarki warto odzyskiwać, ale nie powinno to zastępować naprawy nieszczelnej instalacji sprężonego powietrza.

Najbardziej wartościowe ciepło odpadowe ma odbiorcę obok źródła

W teorii niemal każdy strumień cieplny można w jakiś sposób wykorzystać. W praktyce najlepsze projekty mają kilka wspólnych cech:

• źródło ma stabilną moc,
• temperatura jest wyższa niż wymagana przez odbiornik,
• źródło i odbiornik pracują jednocześnie,
• znajdują się blisko siebie,
• medium nie powoduje szybkiego zabrudzenia ani korozji wymiennika,
• instalacja pracuje przez dużą liczbę godzin w roku.

Dlatego odzyskanie 100 kW ciepła z chłodzenia sprężarki i bezpośrednie skierowanie go do całorocznego procesu może być lepszą inwestycją niż próba zagospodarowania megawata gorących spalin dostępnych tylko sporadycznie.

W odzysku ciepła odpadowego nie chodzi więc o znalezienie najgorętszego komina. Najważniejsze jest znalezienie pary: źródła energii i odbiornika, których temperatury, moce i harmonogram pracy do siebie pasują.

To zasada znana przemysłowi od czasu XIX-wiecznych regeneratorów. Dzisiejsze technologie pozwalają jedynie wykorzystać ją w znacznie większym zakresie temperatur i procesów.