Transcript Prezentacja przeglądu rozwojowych metod oszczędności energii w
Slide 1
Prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik
„Przegląd rozwojowych metod oszczędności energii w
energetyce przemysłowej”
Opracowanie wykonane na potrzeby projektu pt:
„Zeroemisyjna gospodarka energią w warunkach
zrównoważonego rozwoju Polski do 2050”
02.07.09
Charakterystyka krajowej energetyki przemysłowej
Przemysł jest obok sektora bytowo-komunalnego głównym odbiorcą
energii bezpośredniej. Na początku lat osiemdziesiątych udział
przemysłu w zużyciu energii bezpośredniej wynosił ponad 50%.
Aktualnie udział ten wynosi około 32%. W zużyciu energii bezpośredniej
udział czterech przemysłów: hutnictwa żelaza i metali nieżelaznych,
chemicznego, paliwowo-energetycznego i mineralnego jest dominujący
Slide 2
Hutnictwo żelaza
Jak wspomniano na wstępie, krajowe hutnictwo żelaza należy do
głównych konsumentów energii. W scenariuszach rozwoju
gospodarczego Polski założono w porównaniu z okresem przed
transformacją znaczny spadek udziału hutnictwa żelaza w krajowej
produkcji przemysłowej (produkcja na poziomie 10 mln ton stali
surowej). Jednak jego udział w zapotrzebowaniu krajowego przemysłu
na energię bezpośrednią będzie dalej znaczny.
W krajowym hutnictwie żelaza około 60% dostarczonej energii
zużywają wydziały surowcowe (koksownie, spiekalnie i wielkie piece),
przy czym ponad połowa tego zużycia przypada na wielkie piece. W
nowoczesnej hucie żelaza pracującej według schematu wielkie piece –
konwertory tlenowe, udział spiekalni i wielkich pieców w bezpośrednim
zużyciu energii przekracza 75%.
Slide 3
Hutnictwo metali nieżelaznych
Hutnictwo metali nieżelaznych dzieli się na część surowcową (produkcja miedzi,
cynku, ołowiu i aluminium) oraz przetwórczą (przeróbka plastyczna, produkcja stopów i
wyrobów z proszków metali).
Największą wagę mają problemy cieplno-energetyczne w części surowcowej
hutnictwa, głównie miedzi. Polska ze swoją produkcją miedzi około 580 000 t/rok wpływa
na światowy rynek miedzi. W krajowych hutach miedzi stosowane są dwie technologie
otrzymywania miedzi. Jedna polega na wytopie kamienia miedziowego w piecu
szybowym, w drugiej zaś stosuje się proces zawiesinowy Outokumpu.
W Polsce są stosowane dwie metody otrzymywania cynku: redukcja tlenków w piecu
szybowym i metoda hydroelektrometalurgiczna. W procesie szybowym wsadem jest
spiek cynkowo-ołowiowy a 80% energii dostarczonej stanowi energia chemiczna koksu.
W drugiej metodzie dominuje zużycie energii elektrycznej (około 82% energii
doprowadzonej).
Aluminium pierwotne otrzymuje się w procesie elektrolizy tlenku glinowego
rozpuszczonego w stopionym kriolicie w elektrolizerach. Około 80% energii zużywanej w
procesie elektrolizy tlenku glinu stanowi energia elektryczna (12 MWh/t Al), pozostałą
część energia chemiczna węgla anod. Radykalne obniżenie wskaźnika zużycia energii
można osiągnąć na drodze modernizacji elektrolizerów z zastosowaniem anod
spieczonych.
Slide 4
Koksownictwo
Polska z produkcją koksu na poziomie około 9,7 mln t (2006) należy
do czołówki europejskiej. Głównym odbiorcą koksu jest proces
wielkopiecowy. Największa pozycją w stratach procesu koksowania
stanowi entalpia fizyczna koksu wypychanego z komór koksowniczych.
Jego temperatura wynosi 1000-1100 oC. Tradycyjnie koks jest gaszony
za pomocą intensywnego natrysku wodą. Ciepło tracone przy mokrym
gaszeniu koksu stanowi około 40 do 45% energii chemicznej gazu
zużywanego do opalania baterii. Strat tych można uniknąć poprzez
zastosowanie instalacji suchego gaszenia koksu, z której spaliny
podgrzane do temperatury 700÷800°C wykorzystuje się do produkcji
pary w kotle odzyskowym. W Polsce jedyna instalacja suchego
gaszenia koksu działa w koksowni obok Huty Katowice.
Slide 5
Przemysł chemiczny
Przemysł chemiczny należy obok hutnictwa do najbardziej energochłonnych
krajowych przemysłów. Największy udział w zużyciu nośników energetycznych
na poziomie dostaw mają zakłady zgrupowane w następujących branżach:
• przemysł rafineryjny wraz z petrochemicznym i azotowym,
• przemysł nieorganiczny,
• przemysł kopalnictwa surowców chemicznych,
• przemysł włókien chemicznych.
W zakresie gospodarki cieplnej można wymienić następujące możliwości
racjonalizacji:
• modernizacja kotłów przez przystosowanie palenisk do fluidalnego spalania
węgla,
• zastosowanie układów gazowo-parowych w elektrociepłowniach,
• poprawa wykorzystania przemysłowej energii odpadowej w celach grzejnych,
• poprawa stanu izolacji rurociągów pary i gorącej wody,
• racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point
Technology).
Slide 6
Przemysł mineralny
Dzięki przejściu z produkcji cementu metodą mokrą na metodę suchą udało się w
Szwajcarii obniżyć średnią energochłonność o 30%. W Polsce należałoby się
spodziewać efektów podobnego rzędu.
Przemysł drzewny i celulozowo-papierniczy
Perspektywą rozwoju przemysłu drzewnego w zakresie energetyki przemysłowej jest
dążenie wszystkich zakładów do samowystarczalności energetycznej. Można to
osiągnąć przez dalszy rozwój technologii i urządzeń do spalania odpadów drzewnych w
miejscu ich powstawania.
Przemysł spożywczy
Możliwości racjonalizacji gospodarki energetycznej w przemyśle spożywczym są
związane z następującymi przedsięwzięciami:
zastosowanie skojarzonych układów ziębno-grzejnych,
wykorzystanie oparów,
ochładzanie ścieków,
stosowanie akumulacji ciepła,
racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point
Technology).
Slide 7
Elektrociepłownie przemysłowe
Charakterystyka krajowych elektrociepłowni przemysłowych
Moc elektryczna zainstalowana w energetyce przemysłowej wynosi około 3 GW.
Łączna liczba elektrociepłowni zakładowych wynosi około 220, przy czym ponad 80 %
stanowią elektrociepłownie o mocy elektrycznej do 20 MW. Największa
elektrociepłownia przemysłowa (Rafineria Płock) ma moc elektryczną ponad 300 MW. W
kolejnej co do wielkości elektrociepłowni hutniczej Nowa, jest zainstalowana moc
elektryczna 125 MW.
Elektrociepłownie przemysłowe stanowią istotną część krajowego podsystemu
elektroenergetycznego (udział 10 % w mocy osiągalnej i 6 % w produkcji energii
elektrycznej). Mogą one w znacznym stopniu wpływać na bilans mocy i energii
elektrycznej w kraju pod warunkiem należytego ich wykorzystania, właściwej
eksploatacji i odpowiedniej modernizacji urządzeń.
Slide 8
Elektrociepłownie przemysłowe wielopaliwowe
Charakterystyczne dla elektrociepłowni przemysłowych jest wykorzystywanie paliw
odpadowych. Typowym przykładem są tutaj elektrociepłownie hutnicze. Realizacja
technologii hutniczych jest związana z produkcją palnych gazów przemysłowych.
Obecnie palne gazy hutnicze są spalane w kotłach elektrociepłowni w mieszance z
węglem kamiennym. Kotły wielopaliwowe w elektrociepłowniach hutniczych odznaczają
się specyficzną charakterystyką energetyczną zależną od udziału gazów w mieszance.
Spośród gazów palnych dominujący wpływ na warunki spalania i wymiany ciepła ma
najuboższy gaz wielkopiecowy ze względu na jego ilość. Wraz ze zmianą udziału gazu
wielkopiecowego w mieszance zmienia się sprawność energetyczna kotła i jego
wydajność maksymalna trwała.
Slide 9
Modernizacja elektrociepłowni przemysłowych przez dołączenie członu
gazowego
Poprawę efektywności energetycznej elektrociepłowni przemysłowych można uzyskać
przez dobudowę członu gazowego do istniejącej części parowej elektrociepłowni.
Modernizację taką najłatwiej można zrealizować wykorzystując standardowe turbiny
gazowe zasilane gazem ziemnym systemowym. Opracowane jednak dla kilku polskich
elektrociepłowni przemysłowych projekty takiej modernizacji nie doczekały się
praktycznej realizacji ze względu na niespełnione kryterium ekonomiczne. Jest to
wynikiem niekorzystnej dla odbiorców przemysłowych obowiązującej w Polsce struktury
taryf na gaz ziemny. Wykorzystanie palnych gazów hutniczych do takiej modernizacji nie
napotyka na tę barierę.
W zagranicznych elektrociepłowniach hutniczych od kilkunastu lat stosuje się z
powodzeniem układy gazowo-parowe zasilane hutniczymi gazami palnymi. Układ
gazowy można włączyć równolegle do istniejącego obiegu elektrociepłowni
podwyższając efektywność wykorzystania hutniczych gazów palnych. Przedsięwzięcie
to nazywa się popularnie „repowering”.
Slide 10
Racjonalizacja użytkowania energii
Podstawy metodyczne
Drogą do zmniejszenia energochłonności gospodarki narodowej jest racjonalizacja
użytkowania paliw i energii. Pod pojęciem racjonalizacji rozumie się optymalny sposób
oszczędności. Rozróżnia się racjonalizację strukturalną, techniczną i organizacyjną.
Racjonalizacja strukturalna polega na zmniejszeniu udziału produkcji energochłonnej w
gospodarce narodowej i zwiększeniu udziału produkcji o niskiej energochłonności
skumulowanej.
Można wyróżnić następujące kierunki obniżenia energochłonności gospodarki
narodowej i zmniejszenia zagrożenia środowiska naturalnego:
Poprawa doskonałości termodynamicznej procesów energetyki cieplnej.
Poprawa stanu eksploatacji urządzeń energetyki cieplnej.
Poprawa sprawności energetycznej odbiorników energii.
Poprawa stanu wykorzystania energii odpadowej.
Obniżenie materiałochłonności procesów produkcyjnych.
Zmniejszenie udziału produktów energochłonnych.
Slide 11
WYKORZYSTANIE ENERGII ODPADOWEJ [7]
Procesy energetyczne powinny być w zasadzie tak realizowane, aby energia
napędowa była wykorzystana jak najpełniej w granicach technicznych możliwości
i opłacalności ekonomicznej. Przykładem takiego procesu jest siłownia parowa, w
której stopień wykorzystania spalin w kotle i pary rozprężanej w turbinie
kondensacyjnej jest ekonomicznie uzasadniony. W wielu jednak cieplnych
procesach przemysłowych występują nośniki energii odpadowej (spaliny, palne
gazy odlotowe, opary), które mogą być wykorzystane w sposób opłacalny.
Wykorzystanie energii odpadowej prowadzi do oszczędności paliw podstawowych
(węgla, gazu ziemnego, oleju opałowego), przy czym przedsięwzięcie to
niejednokrotnie wymaga mniejszych nakładów niż pozyskiwanie paliw
nieodpadowych. Wykorzystanie energii odpadowej pozwala zmniejszyć także
nakłady na transport i przetwarzanie paliw oraz wpływa na zmniejszenie emisji
szkodliwych substancji.
Slide 12
Rekuperacja fizyczna
W wielu procesach technologicznych ω4E0przebiegających przy podwyższonej
temperaturze nie jest możliwe dostateczne%wykorzystanie entalpii fizycznej spalin.
o
35
Rekuperacja fizyczna polega na wykorzystaniu
spalin
z pieca
t s0 = 1 0odpływających
00 C
przemysłowego do podgrzania substratów3 0 spalania. Jest to jeden z najbardziej
efektywnych sposobów wykorzystania energii odpadowej. O wysokiej efektywności
25
energetycznej rekuperacji świadczy wartość
mnożnika oszczędności energii
chemicznej paliwa:
20
E
PW d
PW
d
ωE
PW d
15
200
μE
0
E 4 0 0
300
500
6 010
700
o
Qr
C
800
tA
800
tA
3 ,3
40
3 ,1
%
o
35
2 ,9
t s0 = 1 0 00 C
2 ,7
30
o
t s0 = 1 0 00 C
2 ,5
2 ,3
25
2 ,1
1 ,9
20
1 ,7
15
200
μE
3 ,3
300
400
500
600
700
o
C
800
tA
1 ,5
200
300
400
500
600
700
o
C
Slide 13
Kotły odzyskowe
Kotły odzyskowe stosuje się wówczas, gdy wykorzystanie spalin lub gazów
odlotowych w rekuperatorach nie jest potrzebne lub jest zbyt małe albo gdy
parametry spalin wymagają zastosowania ochronnej powierzchni ogrzewanej.
Rozwiązanie konstrukcyjne kotła odzyskowego zależy od temperatury gazów
dolotowych. Kotły odzyskowe w przemyśle chemicznym stanowią organiczny
element ciągu technologicznego. Instalowanie kotłów odzyskowych wpływa w
sposób bezpośredni i pośredni na ochronę środowiska.
Instalacje chłodnicze
Spaliny o niezbyt wysokiej temperaturze można wykorzystać do zasilania ziębiarek
absorpcyjnych. Wytwarzany czynnik chłodniczy można zastosować do celów
klimatyzacji lub do celów technologicznych (np. do obniżenia temperatury powietrza
przed urządzeniami sprężającymi). Dzięki obniżeniu temperatury powietrza przed
sprężaniem można uzyskać bądź zmniejszenie mocy napędowej przy zachowaniu
stałej wydajności, bądź też zwiększenie wydajności przy zachowaniu mocy
napędowej na stałym poziomie.
Rekuperacja chemiczna
Podgrzewanie komór konwersji za pomocą spalin wylotowych
CH
4
H 2 O CO 3 H 2
206 MJ / kmol
Slide 14
Chłodzenie wyparkowe
Elementy konstrukcyjne wysokotemperaturowych urządzeń energotechnologicznych
wymagają chłodzenia ze względu na ograniczoną żaroodporność. Zastąpienie
tradycyjnego chłodzenia wodą surową przez chłodzenie z odparowaniem przynosi
korzyści w postaci produkcji użytecznego nośnika energii (ok. 60% efektu),
zmniejszenia zużycia wody (około 20% efektu) i przedłużenia trwałości elementów (ok.
20% efektu).
Turbiny odzyskowe
Dławienie gazów odlotowych z procesów pracujących przy podwyższonym ciśnieniu
powoduje stratę egzergii. Celowe jest więc zainstalowanie turbiny odzyskowej
(popularnie nazywanej turbiną rozprężną) wykonującej pracę kosztem egzergii gazu
odlotowego. Stosuje się turbiny odzyskowe suche i mokre. Zwykle turbinę odzyskową
stosuje się do napędu generatora elektrycznego.
Chemiczna energia odpadowa
Gazy odlotowe z procesów technologicznych zawierające składniki palne mogą mieć
wartość opałową od 30÷250 MJ/kmol. Gazy odlotowe o wartości opałowej powyżej 120
MJ/kmol są wartościowym samodzielnym paliwem. Przy Wd = 60÷120 MJ/kmol
praktyczne zastosowanie palnych gazów odlotowych wymaga wzbogacenia paliwem
bogatym lub zastosowania powietrza podgrzanego , bądź wzbogaconego w tlen.
Slide 15
Entalpia fizyczna stałych i ciekłych produktów
Wykorzystanie entalpii fizycznej produktów stałych i ciekłych o wysokiej
temperaturze nie jest jeszcze w Polsce upowszechnione. Wykorzystanie
zasadniczej części entalpii żużli przebiega w fazie stałej. Pewną część ich
entalpii fizycznej można wykorzystać z żużli ciekłych na drodze promieniowania.
Entalpia fizyczna gorącego spieku może być wykorzystana poprzez
zagospodarowanie entalpii fizycznej powietrza używanego do chłodzenia spieku.
W przypadku procesu koksowniczego źródło energii odpadowej stanowi entalpia
fizyczna koksu. Tradycyjną metodę gaszenia koksu za pomocą wody można
zastąpić instalacją suchego gaszenia koksu , którą można połączyć z procesem
wstępnego podgrzewania węgla wsadowego.
Duże możliwości wykorzystania entalpii fizycznej produktów technologicznych
dla podgrzewania powietrza spalania występują w instalacjach przemysłu
materiałów budowlanych oraz w procesach chłodzenia końcowego i
międzyoperacyjnego produktów walcowni hutniczych.
Slide 16
Niskotemperaturowa energia odpadowa
Do zasobów niskotemperaturowej energii odpadowej zalicza się ciecze o
temperaturze do 150°C i gazy o temperaturze poniżej 250÷300°C. Parametry
niskotemperaturowego nośnika energii odpadowej można podwyższyć stosując
pompy grzejne, o ile będzie to przedsięwzięcie opłacalne.
Najbardziej efektywnym sposobem zagospodarowania niskotemperaturowej
energii odpadowej jest bezpośrednie podgrzewanie innych czynników: powietrza
spalania, wody zasilającej, wody z sieci ciepłowniczej lub ciepłej wody
użytkowej. Te inwestycje charakteryzują się najkrótszymi czasami zwrotu.
Przy wyższych temperaturach (do 350°C) bierze się pod uwagę zastosowanie
niskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rankine'a do produkcji energii
elektrycznej. Dotychczas jednak czasy zwrotu tych rozwiązań nie były
zachęcające.
W niektórych procesach technologicznych uzyskuje się opary o niskich
parametrach termicznych. Opary takie można przystosować do wykorzystania
przez sprężanie za pomocą strumienic lub sprężarek wirnikowych.
Slide 17
5. Racjonalizacja użytkowania energii elektrycznej w przemyśle
Na początku lat 90-tych udział przemysłu w krajowym zużyciu energii
elektrycznej wynosił około 55%. W krajach rozwiniętych ten udział kształtuje się
na poziomie około 40% [6]. Według [19, 20] elektrochłonność produktu
krajowego brutto (PKB) w latach 2005-2006 kształtowała się na poziomie około
135 MWh/mln zł.
Około połowy do dwóch trzecich zużycia energii elektrycznej ma miejsce w
silnikach elektrycznych. Dlatego bardzo istotny jest prawidłowy dobór układów
napędowych, przy czym ważna jest nie tylko sprawność, ale i współczynnik
mocy, od którego zależy pobór mocy biernej.
Obok zużycia energii elektrycznej w przemyśle do celów napędowych ma
miejsce także zużycie elektryczności w procesach elektrotermicznych.
Zużycie energii elektrycznej do celów oświetleniowych kształtuje się w
granicach 15-30% globalnego zużycia energii elektrycznej. Możliwości
obniżenia zużycia energii elektrycznej na oświetlenie wynikają m.in. z
następujących przedsięwzięć: zastosowanie energooszczędnych źródeł światła
oraz opraw oświetleniowych o wyższej sprawności, wprowadzenie
automatycznego sterowania oświetleniem.
Prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik
„Przegląd rozwojowych metod oszczędności energii w
energetyce przemysłowej”
Opracowanie wykonane na potrzeby projektu pt:
„Zeroemisyjna gospodarka energią w warunkach
zrównoważonego rozwoju Polski do 2050”
02.07.09
Charakterystyka krajowej energetyki przemysłowej
Przemysł jest obok sektora bytowo-komunalnego głównym odbiorcą
energii bezpośredniej. Na początku lat osiemdziesiątych udział
przemysłu w zużyciu energii bezpośredniej wynosił ponad 50%.
Aktualnie udział ten wynosi około 32%. W zużyciu energii bezpośredniej
udział czterech przemysłów: hutnictwa żelaza i metali nieżelaznych,
chemicznego, paliwowo-energetycznego i mineralnego jest dominujący
Slide 2
Hutnictwo żelaza
Jak wspomniano na wstępie, krajowe hutnictwo żelaza należy do
głównych konsumentów energii. W scenariuszach rozwoju
gospodarczego Polski założono w porównaniu z okresem przed
transformacją znaczny spadek udziału hutnictwa żelaza w krajowej
produkcji przemysłowej (produkcja na poziomie 10 mln ton stali
surowej). Jednak jego udział w zapotrzebowaniu krajowego przemysłu
na energię bezpośrednią będzie dalej znaczny.
W krajowym hutnictwie żelaza około 60% dostarczonej energii
zużywają wydziały surowcowe (koksownie, spiekalnie i wielkie piece),
przy czym ponad połowa tego zużycia przypada na wielkie piece. W
nowoczesnej hucie żelaza pracującej według schematu wielkie piece –
konwertory tlenowe, udział spiekalni i wielkich pieców w bezpośrednim
zużyciu energii przekracza 75%.
Slide 3
Hutnictwo metali nieżelaznych
Hutnictwo metali nieżelaznych dzieli się na część surowcową (produkcja miedzi,
cynku, ołowiu i aluminium) oraz przetwórczą (przeróbka plastyczna, produkcja stopów i
wyrobów z proszków metali).
Największą wagę mają problemy cieplno-energetyczne w części surowcowej
hutnictwa, głównie miedzi. Polska ze swoją produkcją miedzi około 580 000 t/rok wpływa
na światowy rynek miedzi. W krajowych hutach miedzi stosowane są dwie technologie
otrzymywania miedzi. Jedna polega na wytopie kamienia miedziowego w piecu
szybowym, w drugiej zaś stosuje się proces zawiesinowy Outokumpu.
W Polsce są stosowane dwie metody otrzymywania cynku: redukcja tlenków w piecu
szybowym i metoda hydroelektrometalurgiczna. W procesie szybowym wsadem jest
spiek cynkowo-ołowiowy a 80% energii dostarczonej stanowi energia chemiczna koksu.
W drugiej metodzie dominuje zużycie energii elektrycznej (około 82% energii
doprowadzonej).
Aluminium pierwotne otrzymuje się w procesie elektrolizy tlenku glinowego
rozpuszczonego w stopionym kriolicie w elektrolizerach. Około 80% energii zużywanej w
procesie elektrolizy tlenku glinu stanowi energia elektryczna (12 MWh/t Al), pozostałą
część energia chemiczna węgla anod. Radykalne obniżenie wskaźnika zużycia energii
można osiągnąć na drodze modernizacji elektrolizerów z zastosowaniem anod
spieczonych.
Slide 4
Koksownictwo
Polska z produkcją koksu na poziomie około 9,7 mln t (2006) należy
do czołówki europejskiej. Głównym odbiorcą koksu jest proces
wielkopiecowy. Największa pozycją w stratach procesu koksowania
stanowi entalpia fizyczna koksu wypychanego z komór koksowniczych.
Jego temperatura wynosi 1000-1100 oC. Tradycyjnie koks jest gaszony
za pomocą intensywnego natrysku wodą. Ciepło tracone przy mokrym
gaszeniu koksu stanowi około 40 do 45% energii chemicznej gazu
zużywanego do opalania baterii. Strat tych można uniknąć poprzez
zastosowanie instalacji suchego gaszenia koksu, z której spaliny
podgrzane do temperatury 700÷800°C wykorzystuje się do produkcji
pary w kotle odzyskowym. W Polsce jedyna instalacja suchego
gaszenia koksu działa w koksowni obok Huty Katowice.
Slide 5
Przemysł chemiczny
Przemysł chemiczny należy obok hutnictwa do najbardziej energochłonnych
krajowych przemysłów. Największy udział w zużyciu nośników energetycznych
na poziomie dostaw mają zakłady zgrupowane w następujących branżach:
• przemysł rafineryjny wraz z petrochemicznym i azotowym,
• przemysł nieorganiczny,
• przemysł kopalnictwa surowców chemicznych,
• przemysł włókien chemicznych.
W zakresie gospodarki cieplnej można wymienić następujące możliwości
racjonalizacji:
• modernizacja kotłów przez przystosowanie palenisk do fluidalnego spalania
węgla,
• zastosowanie układów gazowo-parowych w elektrociepłowniach,
• poprawa wykorzystania przemysłowej energii odpadowej w celach grzejnych,
• poprawa stanu izolacji rurociągów pary i gorącej wody,
• racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point
Technology).
Slide 6
Przemysł mineralny
Dzięki przejściu z produkcji cementu metodą mokrą na metodę suchą udało się w
Szwajcarii obniżyć średnią energochłonność o 30%. W Polsce należałoby się
spodziewać efektów podobnego rzędu.
Przemysł drzewny i celulozowo-papierniczy
Perspektywą rozwoju przemysłu drzewnego w zakresie energetyki przemysłowej jest
dążenie wszystkich zakładów do samowystarczalności energetycznej. Można to
osiągnąć przez dalszy rozwój technologii i urządzeń do spalania odpadów drzewnych w
miejscu ich powstawania.
Przemysł spożywczy
Możliwości racjonalizacji gospodarki energetycznej w przemyśle spożywczym są
związane z następującymi przedsięwzięciami:
zastosowanie skojarzonych układów ziębno-grzejnych,
wykorzystanie oparów,
ochładzanie ścieków,
stosowanie akumulacji ciepła,
racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point
Technology).
Slide 7
Elektrociepłownie przemysłowe
Charakterystyka krajowych elektrociepłowni przemysłowych
Moc elektryczna zainstalowana w energetyce przemysłowej wynosi około 3 GW.
Łączna liczba elektrociepłowni zakładowych wynosi około 220, przy czym ponad 80 %
stanowią elektrociepłownie o mocy elektrycznej do 20 MW. Największa
elektrociepłownia przemysłowa (Rafineria Płock) ma moc elektryczną ponad 300 MW. W
kolejnej co do wielkości elektrociepłowni hutniczej Nowa, jest zainstalowana moc
elektryczna 125 MW.
Elektrociepłownie przemysłowe stanowią istotną część krajowego podsystemu
elektroenergetycznego (udział 10 % w mocy osiągalnej i 6 % w produkcji energii
elektrycznej). Mogą one w znacznym stopniu wpływać na bilans mocy i energii
elektrycznej w kraju pod warunkiem należytego ich wykorzystania, właściwej
eksploatacji i odpowiedniej modernizacji urządzeń.
Slide 8
Elektrociepłownie przemysłowe wielopaliwowe
Charakterystyczne dla elektrociepłowni przemysłowych jest wykorzystywanie paliw
odpadowych. Typowym przykładem są tutaj elektrociepłownie hutnicze. Realizacja
technologii hutniczych jest związana z produkcją palnych gazów przemysłowych.
Obecnie palne gazy hutnicze są spalane w kotłach elektrociepłowni w mieszance z
węglem kamiennym. Kotły wielopaliwowe w elektrociepłowniach hutniczych odznaczają
się specyficzną charakterystyką energetyczną zależną od udziału gazów w mieszance.
Spośród gazów palnych dominujący wpływ na warunki spalania i wymiany ciepła ma
najuboższy gaz wielkopiecowy ze względu na jego ilość. Wraz ze zmianą udziału gazu
wielkopiecowego w mieszance zmienia się sprawność energetyczna kotła i jego
wydajność maksymalna trwała.
Slide 9
Modernizacja elektrociepłowni przemysłowych przez dołączenie członu
gazowego
Poprawę efektywności energetycznej elektrociepłowni przemysłowych można uzyskać
przez dobudowę członu gazowego do istniejącej części parowej elektrociepłowni.
Modernizację taką najłatwiej można zrealizować wykorzystując standardowe turbiny
gazowe zasilane gazem ziemnym systemowym. Opracowane jednak dla kilku polskich
elektrociepłowni przemysłowych projekty takiej modernizacji nie doczekały się
praktycznej realizacji ze względu na niespełnione kryterium ekonomiczne. Jest to
wynikiem niekorzystnej dla odbiorców przemysłowych obowiązującej w Polsce struktury
taryf na gaz ziemny. Wykorzystanie palnych gazów hutniczych do takiej modernizacji nie
napotyka na tę barierę.
W zagranicznych elektrociepłowniach hutniczych od kilkunastu lat stosuje się z
powodzeniem układy gazowo-parowe zasilane hutniczymi gazami palnymi. Układ
gazowy można włączyć równolegle do istniejącego obiegu elektrociepłowni
podwyższając efektywność wykorzystania hutniczych gazów palnych. Przedsięwzięcie
to nazywa się popularnie „repowering”.
Slide 10
Racjonalizacja użytkowania energii
Podstawy metodyczne
Drogą do zmniejszenia energochłonności gospodarki narodowej jest racjonalizacja
użytkowania paliw i energii. Pod pojęciem racjonalizacji rozumie się optymalny sposób
oszczędności. Rozróżnia się racjonalizację strukturalną, techniczną i organizacyjną.
Racjonalizacja strukturalna polega na zmniejszeniu udziału produkcji energochłonnej w
gospodarce narodowej i zwiększeniu udziału produkcji o niskiej energochłonności
skumulowanej.
Można wyróżnić następujące kierunki obniżenia energochłonności gospodarki
narodowej i zmniejszenia zagrożenia środowiska naturalnego:
Poprawa doskonałości termodynamicznej procesów energetyki cieplnej.
Poprawa stanu eksploatacji urządzeń energetyki cieplnej.
Poprawa sprawności energetycznej odbiorników energii.
Poprawa stanu wykorzystania energii odpadowej.
Obniżenie materiałochłonności procesów produkcyjnych.
Zmniejszenie udziału produktów energochłonnych.
Slide 11
WYKORZYSTANIE ENERGII ODPADOWEJ [7]
Procesy energetyczne powinny być w zasadzie tak realizowane, aby energia
napędowa była wykorzystana jak najpełniej w granicach technicznych możliwości
i opłacalności ekonomicznej. Przykładem takiego procesu jest siłownia parowa, w
której stopień wykorzystania spalin w kotle i pary rozprężanej w turbinie
kondensacyjnej jest ekonomicznie uzasadniony. W wielu jednak cieplnych
procesach przemysłowych występują nośniki energii odpadowej (spaliny, palne
gazy odlotowe, opary), które mogą być wykorzystane w sposób opłacalny.
Wykorzystanie energii odpadowej prowadzi do oszczędności paliw podstawowych
(węgla, gazu ziemnego, oleju opałowego), przy czym przedsięwzięcie to
niejednokrotnie wymaga mniejszych nakładów niż pozyskiwanie paliw
nieodpadowych. Wykorzystanie energii odpadowej pozwala zmniejszyć także
nakłady na transport i przetwarzanie paliw oraz wpływa na zmniejszenie emisji
szkodliwych substancji.
Slide 12
Rekuperacja fizyczna
W wielu procesach technologicznych ω4E0przebiegających przy podwyższonej
temperaturze nie jest możliwe dostateczne%wykorzystanie entalpii fizycznej spalin.
o
35
Rekuperacja fizyczna polega na wykorzystaniu
spalin
z pieca
t s0 = 1 0odpływających
00 C
przemysłowego do podgrzania substratów3 0 spalania. Jest to jeden z najbardziej
efektywnych sposobów wykorzystania energii odpadowej. O wysokiej efektywności
25
energetycznej rekuperacji świadczy wartość
mnożnika oszczędności energii
chemicznej paliwa:
20
E
PW d
PW
d
ωE
PW d
15
200
μE
0
E 4 0 0
300
500
6 010
700
o
Qr
C
800
tA
800
tA
3 ,3
40
3 ,1
%
o
35
2 ,9
t s0 = 1 0 00 C
2 ,7
30
o
t s0 = 1 0 00 C
2 ,5
2 ,3
25
2 ,1
1 ,9
20
1 ,7
15
200
μE
3 ,3
300
400
500
600
700
o
C
800
tA
1 ,5
200
300
400
500
600
700
o
C
Slide 13
Kotły odzyskowe
Kotły odzyskowe stosuje się wówczas, gdy wykorzystanie spalin lub gazów
odlotowych w rekuperatorach nie jest potrzebne lub jest zbyt małe albo gdy
parametry spalin wymagają zastosowania ochronnej powierzchni ogrzewanej.
Rozwiązanie konstrukcyjne kotła odzyskowego zależy od temperatury gazów
dolotowych. Kotły odzyskowe w przemyśle chemicznym stanowią organiczny
element ciągu technologicznego. Instalowanie kotłów odzyskowych wpływa w
sposób bezpośredni i pośredni na ochronę środowiska.
Instalacje chłodnicze
Spaliny o niezbyt wysokiej temperaturze można wykorzystać do zasilania ziębiarek
absorpcyjnych. Wytwarzany czynnik chłodniczy można zastosować do celów
klimatyzacji lub do celów technologicznych (np. do obniżenia temperatury powietrza
przed urządzeniami sprężającymi). Dzięki obniżeniu temperatury powietrza przed
sprężaniem można uzyskać bądź zmniejszenie mocy napędowej przy zachowaniu
stałej wydajności, bądź też zwiększenie wydajności przy zachowaniu mocy
napędowej na stałym poziomie.
Rekuperacja chemiczna
Podgrzewanie komór konwersji za pomocą spalin wylotowych
CH
4
H 2 O CO 3 H 2
206 MJ / kmol
Slide 14
Chłodzenie wyparkowe
Elementy konstrukcyjne wysokotemperaturowych urządzeń energotechnologicznych
wymagają chłodzenia ze względu na ograniczoną żaroodporność. Zastąpienie
tradycyjnego chłodzenia wodą surową przez chłodzenie z odparowaniem przynosi
korzyści w postaci produkcji użytecznego nośnika energii (ok. 60% efektu),
zmniejszenia zużycia wody (około 20% efektu) i przedłużenia trwałości elementów (ok.
20% efektu).
Turbiny odzyskowe
Dławienie gazów odlotowych z procesów pracujących przy podwyższonym ciśnieniu
powoduje stratę egzergii. Celowe jest więc zainstalowanie turbiny odzyskowej
(popularnie nazywanej turbiną rozprężną) wykonującej pracę kosztem egzergii gazu
odlotowego. Stosuje się turbiny odzyskowe suche i mokre. Zwykle turbinę odzyskową
stosuje się do napędu generatora elektrycznego.
Chemiczna energia odpadowa
Gazy odlotowe z procesów technologicznych zawierające składniki palne mogą mieć
wartość opałową od 30÷250 MJ/kmol. Gazy odlotowe o wartości opałowej powyżej 120
MJ/kmol są wartościowym samodzielnym paliwem. Przy Wd = 60÷120 MJ/kmol
praktyczne zastosowanie palnych gazów odlotowych wymaga wzbogacenia paliwem
bogatym lub zastosowania powietrza podgrzanego , bądź wzbogaconego w tlen.
Slide 15
Entalpia fizyczna stałych i ciekłych produktów
Wykorzystanie entalpii fizycznej produktów stałych i ciekłych o wysokiej
temperaturze nie jest jeszcze w Polsce upowszechnione. Wykorzystanie
zasadniczej części entalpii żużli przebiega w fazie stałej. Pewną część ich
entalpii fizycznej można wykorzystać z żużli ciekłych na drodze promieniowania.
Entalpia fizyczna gorącego spieku może być wykorzystana poprzez
zagospodarowanie entalpii fizycznej powietrza używanego do chłodzenia spieku.
W przypadku procesu koksowniczego źródło energii odpadowej stanowi entalpia
fizyczna koksu. Tradycyjną metodę gaszenia koksu za pomocą wody można
zastąpić instalacją suchego gaszenia koksu , którą można połączyć z procesem
wstępnego podgrzewania węgla wsadowego.
Duże możliwości wykorzystania entalpii fizycznej produktów technologicznych
dla podgrzewania powietrza spalania występują w instalacjach przemysłu
materiałów budowlanych oraz w procesach chłodzenia końcowego i
międzyoperacyjnego produktów walcowni hutniczych.
Slide 16
Niskotemperaturowa energia odpadowa
Do zasobów niskotemperaturowej energii odpadowej zalicza się ciecze o
temperaturze do 150°C i gazy o temperaturze poniżej 250÷300°C. Parametry
niskotemperaturowego nośnika energii odpadowej można podwyższyć stosując
pompy grzejne, o ile będzie to przedsięwzięcie opłacalne.
Najbardziej efektywnym sposobem zagospodarowania niskotemperaturowej
energii odpadowej jest bezpośrednie podgrzewanie innych czynników: powietrza
spalania, wody zasilającej, wody z sieci ciepłowniczej lub ciepłej wody
użytkowej. Te inwestycje charakteryzują się najkrótszymi czasami zwrotu.
Przy wyższych temperaturach (do 350°C) bierze się pod uwagę zastosowanie
niskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rankine'a do produkcji energii
elektrycznej. Dotychczas jednak czasy zwrotu tych rozwiązań nie były
zachęcające.
W niektórych procesach technologicznych uzyskuje się opary o niskich
parametrach termicznych. Opary takie można przystosować do wykorzystania
przez sprężanie za pomocą strumienic lub sprężarek wirnikowych.
Slide 17
5. Racjonalizacja użytkowania energii elektrycznej w przemyśle
Na początku lat 90-tych udział przemysłu w krajowym zużyciu energii
elektrycznej wynosił około 55%. W krajach rozwiniętych ten udział kształtuje się
na poziomie około 40% [6]. Według [19, 20] elektrochłonność produktu
krajowego brutto (PKB) w latach 2005-2006 kształtowała się na poziomie około
135 MWh/mln zł.
Około połowy do dwóch trzecich zużycia energii elektrycznej ma miejsce w
silnikach elektrycznych. Dlatego bardzo istotny jest prawidłowy dobór układów
napędowych, przy czym ważna jest nie tylko sprawność, ale i współczynnik
mocy, od którego zależy pobór mocy biernej.
Obok zużycia energii elektrycznej w przemyśle do celów napędowych ma
miejsce także zużycie elektryczności w procesach elektrotermicznych.
Zużycie energii elektrycznej do celów oświetleniowych kształtuje się w
granicach 15-30% globalnego zużycia energii elektrycznej. Możliwości
obniżenia zużycia energii elektrycznej na oświetlenie wynikają m.in. z
następujących przedsięwzięć: zastosowanie energooszczędnych źródeł światła
oraz opraw oświetleniowych o wyższej sprawności, wprowadzenie
automatycznego sterowania oświetleniem.