Effectieve Afvalwarmte Herwinning voor Duurzame Industriële Operaties

Herwinning van Afvalwarmte

Afvalwarmte is de warmte die in een proces wordt gegenereerd door de verbranding van brandstof of door een chemische reactie en vervolgens in de omgeving afgegeven zonder praktisch benut te worden. Bronnen van afvalwarmte omvatten hete verbrandingsgassen die in de atmosfeer worden uitgeblazen, proces afgassen, geleiding, convectie en stralingsverliezen van apparatuur en de verwarmde producten die diverse industriële processen verlaten (hete cokes, heet metaal, vloeibaar staal, en warm gewalst product etc.), en warmteoverdracht van hete apparatuuroppervlakken (warmte overgedragen aan koelwater).

Afvalwarmte herwinning bestaat uit het vangen en hergebruiken van de afvalwarmte van industriële processen voor verwarmen of voor het genereren van mechanisch of elektrisch werk. Typische toepassingen omvatten voorverwarmen van verbrandingslucht, voorverwarmen van brandstofgas, ketel voederwater voorverwarmen, ruw materiaal voorverwarmen, genereren van proces stoom, en productie van stoom voor stroomopwekking etc. Het basisidee achter de herwinning van afvalwarmte is om te proberen maximale hoeveelheden warmte in de fabriek te herwinnen en zoveel mogelijk opnieuw te gebruiken, in plaats van het gewoon in de omgeving (lucht of een nabijgelegen rivier) af te geven.

Afvalwarmte is intrinsiek aan alle productieprocessen. Tijdens industriële productieprocessen gaat ongeveer 20% tot 50% van de verbruikte energie uiteindelijk verloren via afvalwarmte bevatten in stromen van hete uitlaatgassen en vloeistoffen, alsmede door warmteleiding, convectie, en straling van het oppervlak van hete apparatuur alsmede van de verwarmde producten. Afvalwarmte herwinning is een waardevolle alternatieve benadering voor het verbeteren van de algehele energie-efficiëntie van industriële ovens. Energie-efficiëntie die bereikt kan worden door afvalwarmte herwinning ligt normaal in het bereik van 10% tot 50%.

Het wezenlijke feit is niet de hoeveelheid warmte, maar wel de waarde ervan. Het mechanisme om de onbenutte warmte te herwinnen hangt af van de temperatuur van de afvalwarmte vloeistoffen en de betrokken economie. Afvalwarmte herwinningstechnologieën verlagen vaak de operationele kosten voor faciliteiten door hun energieproductiviteit te verhogen. Gegane en hergebruikte afvalwarmte is een emissievrije vervanger voor duur aangekochte brandstoffen of elektriciteit.

Fig 1 toont typische energiestroom zonder en met warmteherwinning.

Fig 1 Typische energiestroom zonder en met warmteherwinning

Essentiële Componenten

Drie essentiële componenten die noodzakelijk zijn voor afvalwarmte herwinning zijn: (i) een toegankelijke bron van afvalwarmte zoals verbrandingsuitlaten, procesuitlaten, hete gassen uit de ovens, koeltorenwater etc., (ii) een herwinningstechnologie zoals regenerator, recuperator, economizer, afvalwarmte ketel, thermoelektrische generator etc., en (iii) een gebruik voor de herwonnen energie zoals voorverwarmen van ketel voederwater, ruw materialen en verbrandingslucht voorverwarmen, genereren van stoom en/of elektrisch vermogen, en voorverwarmen van lage calorische waarde verbrandingsgassen zoals hoogovengas etc.

Afvalwarmte Herwinningsapparatuur

Er zijn verschillende warmte herwinningsapparaten die in een staalfabriek worden gebruikt. De belangrijkste hieronder:

• Recuperatoren – Recuperatoren herwinnen uitlaatgas afvalwarmte in medium tot hoge temperatuur toepassingen. Recuperatoren kunnen gebaseerd zijn op het principe van warmteoverdracht door straling, convectie, of combinaties. Recuperatoren zijn geconstrueerd uit ofwel metalen of keramische materialen. Metalen recuperatoren worden gebruikt in toepassingen met temperaturen onder 1050 °C, terwijl warmteherwinning bij hogere temperaturen beter past bij keramische buis recuperatoren die kunnen opereren met warme zijde temperaturen tot 1500 °C en koude zijde temperaturen van ongeveer 950 °C.
• Regeneratoren – Regeneratoren bestaan uit twee stenen 'checker work' kamers door welke warme en koude luchtstroom afwisselend. Als de verbrandingsuitlaten door één kamer passeren, absorberen de stenen warmte van het verbrandingsgas en er is een toename in zijn temperatuur. Nadat de stenen warmte hebben opgenomen, wordt de stroom dan gewijzigd zodat de binnenkomende verbrandingslucht door de hete checker work passeert, die warmte overdraagt aan de verbrandingslucht die de oven binnenkomt. Een minimum van twee kamers wordt gebruikt zodat terwyl de ene warmte absorbeert van de uitlaatgassen, de ander warmte overdraagt aan de verbrandingslucht. De richting van de luchtstroom wordt om een vast tijdsinterval gewijzigd. Regeneratoren zijn speciaal geschikt voor hoge temperatuur toepassingen met vuile uitlaten. Een groot nadeel is de grote grootte en kapitaalkosten, die significant hoger zijn dan kosten van recuperatoren.
• Passieve lucht voorverhitters – Dit zijn gas-naar-gas warmte herwinning apparaten voor lage tot medium temperatuur toepassingen waar kruiscontaminatie tussen gasstromen voorkomen moet worden. Passieve voorverhitters zijn meestal van twee typen: (i) het plaat type en (ii) het heat pipe type. Het plaat type voorverhitter bestaat uit meerdere parallelle platen die afzonderlijke kanalen voor warme en koude gasstromen creëren. Warme en koude stromen wisselen tussen de platen en stellen significante oppervlakken voor warmteoverdracht beschikbaar. De heat pipe warmtewisselaar bestaat uit verschillende pijpen met afgedichte uiteinden. Elke pijp bevat een kapillaire doek structuur die de beweging van het werkvloeistof tussen de warme en koude uiteinden van de pijp vergemakkelijkt. Warme gassen passeren over één uiteinde van de heat pipe, waardoor het werkvloeistof binnenin de pijp verdampt. Drukgradienten langs de pijp veroorzaken dat de hete damp naar het andere uiteinde van de pijp beweegt, waar de damp condenseert en warmte overdraagt aan het koude gas. Het condensaat cycelt dan terug naar de warme zijde van de pijp via kapillaire werking.
• Recuperatieve of regeneratieve branders – Branders die recuperatieve of regeneratieve systemen incorporeren, zijn eenvoudiger en compacter in ontwerp en constructie dan zelfstandige recuperatoren of regeneratoren. Deze systemen bieden verhoogde energie-efficiëntie vergeleken met branders die met omgevingslucht werken. Een zelf-recuperatieve brander incorporeert warmtewisseloppervlakken als onderdeel van de brander body ontwerp om energie te vangen van de uitgaande rookgassen, die terug door de body passeren. Zelf-regeneratieve branders laten uitlaatgassen door de brander body in een refractaire media doos passeren en opereren in paren op een manier vergelijkbaar met een regenerator. Typisch hebben recuperatieve brander systemen minder warmtewisseloppervlak en regeneratieve brander systemen lagere massa dan zelfstandige units. Daarom is hun energieherwinning lager maar hun lagere kosten en gemak van retrofitting maken ze een aantrekkelijke alternatief voor energieherwinning.
• Mantel en buis warmtewisselaars – Wanneer het medium dat afvalwarmte bevat een vloeistof of een damp is die een andere vloeistof verwarmt, dan wordt normaal de mantel en buis warmtewisselaar gebruikt aangezien beide paden afgedicht moeten zijn om de drukken van hun respectieve vloeistoffen te behouden. De mantel bevat de buisbundel, en meestal interne afschermingen, om de vloeistof in de mantel over de buizen in meerdere passes te leiden. De mantel is inherent zwakker dan de buis, zodat de hogere druk vloeistof in de buizen wordt gecirculeerd terwijl de lagere druk vloeistof door de mantel stroomt. Wanneer een damp de afvalwarmte bevat, condenseert het meestal, waarbij het zijn latente warmte afgeeft aan de vloeistof die wordt verhit. In deze toepassing is de damp bijna onveranderlijk in de mantel bevatten. Als het omgekeerde wordt geprobeerd, veroorzaakt de condensatie van dampen binnen kleine diameter parallelle buizen stroomonstabiliteiten. Buis en mantel warmtewisselaars zijn beschikbaar in een breed bereik van standaard maten met veel combinaties van materialen voor de buizen en mantels.
• Gevlamde buis warmtewisselaar of economizer – Gevlamde buis warmtewisselaar wordt gebruikt om warmte te herwinnen van lage tot medium temperatuur uitlaatgassen voor het verwarmen van vloeistoffen. Toepassingen omvatten ketel voederwater voorverwarmen en hete procesvloeistoffen etc. De gevlamde buis bestaat uit een ronde buis met aangehechte lamellen die het oppervlak en de warmteoverdrachtsnelheden maximaliseren. Vloeistof stroomt door de buizen en ontvangt warmte van hete gassen die over de buizen stromen. Een gevlamde buis wisselaar waarbij ketel uitlaatgassen gebruikt worden voor voederwater voorverwarmen wordt over het algemeen aangeduid als een ketel economizer.
• Afvalwarmte ketel – Afvalwarmte ketel is een waterbuis ketel die medium tot hoge temperatuur uitlaatgassen gebruikt om stoom te genereren. Afvalwarmte ketels zijn beschikbaar in een verscheidenheid aan capaciteiten waardoor gasinlaten variërend van 30 tot 25000 m³/min mogelijk zijn. In gevallen waar de afvalwarmte niet voldoende is voor het produceren van gewenste stoomniveaus, worden meestal hulpbranders of een nabranders toegevoegd voor het verkrijgen van hogere stoomoutput. De stoom kan geproduceerd worden voor procesdoeleinden of voor opwekking van vermogen. Genereren van oververhitte stoom vereist normaal toevoeging van een externe oververhitter aan de ketel.
• Laad voorverwarmen – Het verwijst naar het gebruik van afvalwarmte die een systeem verlaat voor het voorverwarmen van de laad die het systeem binnenkomt. Het meest voorkomende voorbeeld is ketel voederwater voorverwarmen, waar een economizer warmte overdraagt van hete verbrandingsuitlaatgassen aan het water dat de ketel binnenkomt. Andere toepassingen benutten directe warmteoverdracht tussen verbrandingsuitlaatgassen en vaste materialen die de verschillende ovens binnenkomen.
• Warmtepompen – Afvalwarmte is soms beschikbaar bij een temperatuur lager dan de potentiële laadvereiste. In zo'n geval is afvalwarmte upgrading nodig. Afvalwarmte upgrading verwijst naar het verhogen van het energieniveau van een afvalwarmtestroom zodat het een nuttige functie kan uitvoeren die anders bereikt kan worden. Dit wordt bereikt door het gebruik van warmtepompen of door directe dampcompressie waar de afvalwarmte beschikbaar is in de vorm van damp. De meerderheid van warmtepompen werkt op het principe van de dampcompressiecyclus. In deze cyclus is de circulerende stof fysiek gescheiden van de bron (afvalwarmte, met een temperatuur van Tin) en gebruiker (warmte die in het proces gebruikt moet worden, Tout) stromen, en wordt hergebruikt in een cyclische wijze, daarom gesloten cyclus warmtepomp genoemd.

Voordelen van Afvalwarmte Herwinning

De voordelen van de afvalwarmte kunnen breed in twee categorieën worden ingedeeld: (i) directe voordelen, (ii) indirecte voordelen.

• Directe voordelen worden weerspiegeld door de reductie in het verbruik van bronnen en utiliteiten en ook de operationele kosten, aangezien herwinning van afvalwarmte de energieproductiviteit van het proces verbetert en een direct effect heeft op de efficiëntie van het proces. In het huidige scenario van wereldwijde klimaatverandering is het grootste voordeel van de afvalwarmte herwinning dat het een broeikasgas vrije bron van energie is.
• De indirecte voordelen van de afvalwarmte herwinning zijn reductie in milieuverontreiniging, reductie in het verbruik van energie voor hulpgene doeleinden en reductie in de apparatuurgroottes. Afvalwarmte herwinning verlaagt het brandstofverbruik, wat leidt tot reductie in de rookgassen geproduceerd. Dit resulteert in reductie in apparatuurgroottes van alle rookgas afhandelingsapparatuur zoals ventilatoren, rookkanalen, kanalen, branders, etc. Reductie in apparatuurgroottes geeft additionele voordelen in de vorm van reductie in hulpenergieverbruik zoals elektriciteit voor ventilatoren, pompen etc.

Uitdagingen en Toekomstperspectieven

De overige aspecten van het afvalwarmte herwinningssysteem zijn dat er behoefte is aan additionele ruimte, kapitaal en operationele kosten die gerechtvaardigd moeten worden vanuit de opbrengsten in termen van warmte herwonnen.

Afvalwarmte herwinningstechnologieën, hoewel momenteel in wisselende mate op veel plaatsen in staalfabrieken toegepast, ondervinden technische en economische barrières die hun wijdere toepassing belemmeren. Hoewel veel van de technologieën al goed ontwikkeld zijn voor afvalwarmte herwinning (bijv. recuperatoren en regeneratoren etc.), is er nog de uitdaging dat deze technologieën niet altijd economisch zijn voor een gegeven toepassing (bijv. toepassing met vuile uitlaatstromen).

Er zijn veel barrières die de economie en effectiviteit van warmte herwinningsapparatuur beïnvloeden en hun wijdere installatie belemmeren. Veel van deze barrières zijn onderling gerelateerd, maar kunnen doorgaans worden gecategoriseerd als gerelateerd aan kosten, temperatuurbepalingen, chemische samenstelling, toepassingsspecificaties, en ontoegankelijkheid/transportbaarheid van warmtebronnen.

Huidige praktijken die worden toegepast voor afvalwarmte herwinning tonen aan dat afvalwarmte normaal wordt herwonnen van schone, hoge temperatuur afvalwarmtebronnen in grote capaciteit systemen. Daarom zijn er kansen beschikbaar in het optimaleren van bestaande systemen, het ontwikkelen van technologieën voor chemisch corrosieve systemen, het herwinnen van warmte van niet-vloeistof warmtebronnen, en het herwinnen van lage temperatuur afvalwarmte.

Hoewel economie vaak de haalbaarheid van lage temperatuur afvalwarmte herwinning beperkt, zijn er diverse toepassingen waar lage graad afvalwarmte kosteneffectief is herwonnen voor gebruik in industriële faciliteiten. Een grote hoeveelheid industriële afvalwarmte is alleen beschikbaar in het lage temperatuurbereik. Als voorbeeld, verbrandingssystemen zoals ketels gebruiken frequent herwinningstechnologieën die gassen uitlaten in het temperatuurbereik van 120 °C tot 150 °C. Ook grote hoeveelheden afvalwarmte kunnen gevonden worden in industriële koelwater en koellucht. Een geïntegreerde staalfabriek in Japan heeft een opwekkingscentrale geïnstalleerd met een capaciteit van 3,5 MW met behulp van koelwater van slechts 98 °C.

In het geval van verbrandingsuitlaatgassen, kan aanzienlijke warmte worden herwonnen als waterdamp in de gassen wordt afgekoeld tot lagere temperaturen. Minimale temperatuurlimieten van ongeveer 120 °C tot 150 °C worden frequent toegepast om te voorkomen dat water in de uitlaatgassen condenseert en corrosieve stoffen op het warmtewisselaaroppervlak neerslaat. Echter, het verder afkoelen van de rookgassen zou de warmteherwinning aanzienlijk kunnen verhogen door het laten herwinnen van de latente warmte van verdamping. Deze latente warmte maakt een significant deel uit van de energie in uitlaatgassen. Technologieën die chemische aanval kunnen minimaliseren tijdens het afkoelen van uitlaatgassen onder het condensatiepunt, kunnen significante toename in energie-efficiëntie bereiken via het herwinnen van de latente warmte van verdamping.

Momenteel staat lage temperatuur warmteherwinning ten minste drie uitdagingen tegenover: (i) corrosie van het warmtewisselaaroppervlak, (ii) grote warmtewisseloppervlakken vereist voor warmteoverdracht, en (iii) een toepassing vinden voor lage temperatuur warmte.

Technologieën zijn beschikbaar die gassen onder dauwpunt temperaturen kunnen afkoelen om lage temperatuur afvalwarmte te herwinnen. Deze technologieën omvatten diepe economizers, indirecte contact condensatie herwinning, directe contact condensatie herwinning, en recent ontwikkelde transport membraan condensatoren. Commercialisatie van deze technologieën is beperkt gebleven vanwege hoge kosten en omdat faciliteiten een eindgebruik voor de herwonnen warmte missen. Wanneer faciliteiten een eindgebruik voor afvalwarmte missen, hebben er sommige andere middelen voor herwinning gevonden, waaronder warmtepompen en lage temperatuur stroomopwekking. Gebruik van deze technologieën wordt ook frequent beperkt door economische beperkingen.