Odzysk ciepła odpadowego
advertisement
Odzysk ciepła odpadowego Presentation from the “Energy Efficiency Guide for Industry” This PowerPoint training session was prepared as part of the project “Greenhouse Gas Emission Reduction from Industry in Asia and the Pacific” (GERIAP) within UNEP 2006 Programme. page 1 © UNEP 2006 Plan wykładu Wprowadzenie Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Określanie potencjału odzysku ciepła page 2 © UNEP 2006 Wprowadzenie Cechy ciepła odpadowego • “Odpadowe” ciepło, które moŜe być ponownie wykorzystane • “Jakość” (parametry) bardziej istotne niŜ ilość • Odzysk ciepła odpadowego przyczynia się do oszczędności paliwa page 3 © UNEP 2006 Wprowadzenie Źródło a jakość Lp. page 4 Źródło ciepła odpadowego Jakość ciepła odpadowego 1 Ciepło zawarte w spalinach Im wyŜsza temperatura spalin, tym wyŜszy potencjał dla odzysku ciepła 2 Ciepło w parze wodnej Jak wyŜej, lecz przy moŜliwości skroplenia moŜliwe do odzyskania ciepło utajone 3 Straty konwekcyjne i przez promieniowanie zewnętrznych obudów urządzeń Niska przydatność – moŜliwe wykorzystanie do ogrzewania lub wstępnego podgrzewu powietrza 4 Straty ciepła w wodzie chłodzącej Niska przydatność – moŜliwe wykorzystanie do podgrzewania świeŜej wody uzupełniającej 5 Straty ciepła przy zasilaniu i usuwaniu wody lodowej 1.Wysoka jakość jeŜeli moŜna wykorzystać do obniŜenia zapotrzebowania na chłód 2. Niska jeŜeli chłodzenie jest realizowane przez odwracalną pompę ciepła 6 Ciepło zmagazynowane w gotowych produktach Jakość zaleŜy od temperatury 7 Ciepło zawarte w gazowych lub ciekłych odpadach poprodukcyjnych Niska jakość jeŜeli zawierają szkodliwe zanieczyszczenia – drogi materiał wymiennika © UNEP 2006 Wprowadzenie Odzysk ciepła wysokotemperaturowego Typ urządzenia Piec do wytopu Niklu Piec do wytopu Aluminium page 5 Temperatura (0C) 1370 – 1650 650 –760 Piec do wytopu Cynku 760 – 1100 Piec do wytopu Miedzi 760 – 815 Piec do wygrzewania stali 925 – 1050 Piec płomieniowy do wytopu miedzi 900 – 1100 Otwarte palenisko 650 – 700 Piec do suszenia cementu 620 – 730 Piec szklarski 1000 – 1550 Instalacja do produkcji wodoru 650 – 1000 Spalarnia odpadów stałych 650 – 1000 Instalacja dopalania oparów 650 – 1450 © UNEP 2006 Wprowadzenie Odzysk ciepła średniotemperaturowego Typ urządzenia page 6 Temperatura (0C) Spaliny z kotła parowego 230 – 480 Spaliny z turbiny gazowej 370 – 540 Spaliny z silnika tłokowego 315 – 600 Spaliny z silnika tłokowego z turbodoładowaniem 230 – 370 Kotły odzysknicowe 425 – 650 Suszarki i piece piekarnicze 230 – 600 Kraking katalityczny 425 – 650 System chłodzenia pieców do wyŜarzania 425 – 650 © UNEP 2006 Wprowadzenie Odzysk ciepła niskotemperaturowego Źródło page 7 Temperatura 0C Skropliny pary technologicznej 55-88 Woda chłodząca drzwi pieców 32-55 ŁoŜyska 32-88 Spawarki 32-88 Wtryskarki 32-88 Piece do wygrzewania 66-230 Chłodzenie form 27-88 SpręŜarki 27-50 Pompy 27-88 Chłodzenie silników 66-120 Skraplacze urządzeń chłodniczych 32–43 Aparaty destylacyjne 32-88 Suszarki, kuchnie i opiekacze 93-230 Gorące płyny technologiczne 32-232 Gorące materiały stałe 93-232 © UNEP 2006 Plan wykładu Wprowadzenie Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Określanie potencjału odzysku ciepła page 8 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rekuperatory krzyŜowe • Wymienniki ciepła przeponowe: metalowe lub ceramiczne • Powietrze podgrzewane w przewodach • Strumien ciepła odpadowego na zewnątrz Source: SEAV page 9 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego page 10 • Najprostsza konstrukcja • Dwie metalowe rury • Zmniejszenie ilości paliwa dostarczanego do kotła • Wymiana ciepła głównie przez promieniowanie (Hardtech Group) Rekuperatory rurowe radiacyjne © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rekuperatory konwekcyjne page 11 • Gorący gaz przepływa przez pęczek równoległych rur • W rurach moŜna zamontować zawirowywacze spiralne • Zwiększa to współczynnik przejmowania ciepła lecz równieŜ koszty (Reay, D.A., 1996) © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rekuperatory hybrydowe • Kombinacja wymiany ciepła przez promieniowanie i konwekcję • Efektywniejsza wymiana ciepła • DroŜsze ale mniejsze niŜ rekuperatory radiacyjne (Reay, D.A., 1996) page 12 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rekuperatory ceramiczne Mniejsze ograniczenia temperaturowe: • Temperatura po stronie gazów do 1550 ◦C • Temperatura po stronie powietrza do 815 ◦C Nowe konstrukcje • opracowane w latach 2004 -6 • Temperatura podgrzewanego powietrza <700◦ C • Mniejsze nieszczelności page 13 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego „Koło ciepła” • Porowate koło obracające się pomiędzy dwoma połoŜonymi obok siebie kanałami • Zastosowanie do nisko- i sredniotemperaturowego odzysku ciepła • Sprawność odzysku ciepła do 85% (SADC, 1999) page 14 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rurka ciepła • Transportuje 100 razy więcej ciepła niŜ miedź w tym samym czasie • Trzy elementy: - szczelny pojemnik - struktura kapilarna „knot” - płyn roboczy • Wykorzystuje ciepło przemian fazowych (SADC, 1999) page 15 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rurka ciepła Wydajność i zalety • Lekka i małe wymiary • Nie wymaga konserwacji, zasilania zewnętrznego, chłodzenia cieczą, smarowania itp.. • Małe opory aeodynamiczne – mniejsza wydajność wentylatora, zwieksza efektywność odzysku ciepła • MoŜe pracować przy temperaturze 315 ◦C ze sprawnością odzysku ciepła 60% do 80% (SADC, 1999) page 16 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rurka ciepła Typowe zastosowania • Ciepło technologiczne ogrzewanie • Ciepło technologiczne technologiczne ciepło - Przekazywanie ciepła odpadowego do podgrzania powietrza wlotowego • HVAC - Chłodzenie lub ogrzewanie energią cieplną z odzysku (SADC, 1999) page 17 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Ekonomizer • Wykorzystanie ciepła spalin do podgrzewania wody lub powietrza zasilających kocioł • 1% oszczędności paliwa, jeŜeli: • podwyŜszenie temperatury wody zasilającej o 60 ◦C, lub • podwyŜszenie temperatury powietrza do spalania o 200 ◦C (Bureau of Energy Efficiency, 2004) page 18 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Ekonomizer Wymiennik płaszczowo - rurowy • Wykorzystywany w aplikacjach ciecz – ciecz lub para – ciecz • Pęczek rur umocowany jest w płaszczu, dodatkowe przegrody ukierunkowują przepływ w płaszczu • JeŜeli wykorzystujemy parę, to powinna być ona kierowana do płaszcza (King Fahad University of Petroleum & Minerals, 2003) page 19 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Wymiennik płytowy • Równoległe płyty tworzą wąskie szczeliny dla przepływu czynnika • Niski koszt uzyskania duŜej powierzchni wymiany ciepła • Pofałdowana powierzchnia zwiększa współczynnik przenikania ciepła • Zazwyczaj stosowany jako wymiennik przeciwpradowy (Canada Agriculture and Agri-Food) page 20 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Rekuperator z czynnikiem pośrednim • Wymiana ciepła przez czynnik pośredniczący • Jedna węŜownica w strumieniu gorącym • Druga węŜownica w strumieniu gorącym (SADC , 1999) page 21 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Kocioł odzysknicowy • Kocioł wodno rurkowy: gorące spaliny omywają pęczek rur wypełnionych wodą • Wydajność: 25 m3 do 30,000 m3 /min spalin (Canada Agriculture and Agri-Food) page 22 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Pompa Ciepła (SADC, 1999) page 23 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Pompa Ciepła Strumienica parowa • SpręŜa parę o niskim ciśnieniu przy wykorzystaniu pary wysokociśnieniowej w celu wykorzystania jako pary średniego ciśnienia • Dysza strumienicy przyspiesza parę wysokociśnieniową do cieczy o wysokiej prędkości page 24 © UNEP 2006 Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego page 25 Schemat elektrociepłowni parowej z odzyskiem ciepła © UNEP 2006 Plan wykładu Wprowadzenie Rodzaje urządzeń do odzysku ciepła odpadowego Określanie potencjału odzysku ciepła page 26 © UNEP 2006 Określanie potencjału odzysku ciepła Straty ciepła Jakość: • WyŜsza temperatura = WyŜsza jakość = NiŜsze koszty odzysku ciepła Ilość: • Ilość ciepła jaką moŜna odzyskać ze spalin oblicza się następująco: Q = V x ρ x Cp x ∆T page 27 Q = V = ρ = Cp = ∆T = Ilość ciepła w kJ strumień objętości w m3/s gęstość spalin w kg/m3 ciepło właściwe spalin kJ/(kg K) róŜnica temperatury w K © UNEP 2006 Określanie potencjału odzysku ciepła Przykład kalkulacji oszczędności ciepła Oszczędność kosztów poprzez odzysk ciepła z wody odpadowej : • Zrzut wody odpadowej o temperaturze 75◦C wynosi 10000 kg/h • Pozwala to na podgrzanie 10000 kg/h zimnej wody zasilającej o temperaturze 20 ◦C • Sprawność odzysku ciepła 58% • Czas pracy wynosi 5000 h/rok Roczne oszczędności ciepła(Q) wynoszą: Q page 28 = m x Cp x ∆T x η © UNEP 2006 Określanie potencjału odzysku ciepła Przykład kalkulacji oszczędności ciepła m = 10000 kg/h x 5000 h/rok = 50 000 000 kg/rok Cp = 4,19 kJ/kg K ∆T = (75 – 20) = 55 K η = 58% lub 0.58 ⇒Q = = 50000000 x 4,19 x 55 x 0.58 6 683 050 000 kJ/rok Ciepło spalania oleju ekwiwalentnego = 42 738 kJ/kg Oszczędnośc oleju = 6 683 050 000 / 42 738 = 156372 kg Cost of Oil = 2,5 PLN/kg Oszczędność kosztów = 390 930 PLN/rok page 29 © UNEP 2006 Określanie potencjału odzysku ciepła Przykład kalkulacji 2 Pomiary wykazały następujące parametry spalin: Temperatura – 425 oC Zawartość tlenu – 5,5% Oblicz efekt obniŜenia zawartości tlenu w spalinach do 2% Paliwo – gaz ziemny, ZuŜycie – 2,8x106 m3/rok, Średnia cena gazu 1,0 zł/m3 page 30 Określanie potencjału odzysku ciepła SPR wo = (1-SK)/K gdzie: K = 0,90 dla gazu ziemnego K = 0,93 dla oleju lekkiego K = 0,96 dla oleju cięŜkiego SPR1=(1-0,285)/0,9=0,795 SPR2=(1-0,253)/0,9=0,827 Qu1=Qu2 Qu1=V1*Wo*SPR1 Qu2=V2*Wo*SPR2 V2 =V1*SPR1/SPR2 V1-V2=V1(SPR2-SPR1)/SPR2 Rozwiązanie O2 – 5,5% > SPR = 79.5 % O2 – 2,0% > SPR = 83,0 % Oszczędności = [ ( 83 – 79,5 ) / 83 ] x 2,8 x 106 m3/rok x 1 zł/m3 = 118 072 zl/rok page 31 Określanie potencjału odzysku ciepła Odsalanie Strumień odsolin: %SO = A / (B - A) x 100% A = stęŜenie zanieczyszczeń w wodzie zasilającej [ppm] B = dopuszczalne stęŜenie zanieczyszczeń w kotle [ppm] Przykład Oblicz strumień masy odsolin, jeŜeli dopuszczalne stęŜenie zanieczyszczeń w kotle wynosi 500 ppm, stęŜenie zanieczyszczeń w wodze zasilającej wynosi 10 ppm, zaś strumień masy wody zasilającej kocioł wynosi 20 t/h. SO = 10 / (500 – 10 ) x 20 = 0,408 t/h page 32 Określanie potencjału odzysku ciepła Odsalanie Strumień masy pary z odsolin % PARY = (Hf1 – Hf2) / Hfg x 100% Hf1 = entalpia właściwa odsolin opuszczających kocioł kJ/kg Hf2 = entalpia właściwa odsolin po redukcji ciśnienia – kJ/kg Hfg = entalpia parowania przy zredukowanym ciśnieniu – kJ/kg Przykład Oblicz strumień entalpii pary produkowanej ze strumienia odsolin obliczonego w poprzednim przykładzie, jeŜeli opuszczają one kocioł w stanie nasyconym pod ciśnieniem 10 bar i są redukowane do ciśnienia 2 bar. Z tablic: Hf1 = 762,5 kJ/kg Hf2 = 504,7 kJ/kg Hfg2 = 2201,5 kJ/kg % PARY = (762,5 – 504,7 )/ 2201,5 x 100% = 11,7 % Hv2 = 2706,2 kJ/kg Q pary = 408 kg/h x 0,117 x 2706,2kJ/kg = 129183 kJ/h page 33 Określanie potencjału odzysku ciepła Straty związane ze złą eksploatacją •Ubytki pary •Wadliwe działanie odwadniaczy •Ubytki spręŜonego powietrza •Straty ciepła przez złą izolację •Zarastanie kotłów kamieniem page 34 Określanie potencjału odzysku ciepła page 35 Określanie potencjału odzysku ciepła page 36 Określanie potencjału odzysku ciepła Koszty nieszczelności w instalacji spręŜonego powietrza Średnica otworu mm page 37 Straty energii przy ciśnieniu (kWh/rok) 760kPa 690Kpa 620Kpa 9.525 226,100 208,100 190,000 6.350 100,500 92,500 86,300 3.175 25,100 23,100 21,100 1.588 6,300 5,800 5,300 0.794 1,600 1,400 1,300 Określanie potencjału odzysku ciepła page 38 Określanie potencjału odzysku ciepła Przykłady 1. Pięć odwadniaczy w systemie parowym zakładu zostało uszkodzonych i para wydostaje się przez nie do kanalizacji. JeŜeli koszty paliwa wynoszą 20 zł/GJ a system wytwarzania pary ma sprawność 78%, jakie są roczne koszty tego uszkodzenia? Średnica wylotu w odwadniaczach 2,5 mm. Ciśnienie w rurociągu parowym wynosi 690 kPa. page 39 Określanie potencjału odzysku ciepła 250 GJ/rok K = 5 x 250 GJ/rok / 0,78 x 20 zł/GJ = 32051 zł/rok page 40 Określanie potencjału odzysku ciepła Przykłady 2. Podczas przeglądu instalacji spręŜonego powietrza wykryto dwa przecieki jeden o średnicy 6,35 mm i drugi o średnicy 3,2 mm. Jakie są roczne koszty strat energii spowodowane tymi nieszczelnościami, jeŜeli ciśnienie w instalacji wynosi 690 kPa a energia elektryczna kosztuje 0,4 zł/kWH? page 41
