Geavanceerde Afvalwarmte Herwinning Technologieën

Afvalwarmte is de energie die geassocieerd is met afvalstromen van lucht, uitlaatgassen, en/of procesproducten die een proces verlaten en de atmosfeer binnengaan. Het is de energie die gegenereerd wordt in diverse processen en die niet in praktisch gebruik wordt gezet en verloren of verspild gaat in de atmosfeer. Het is de energie die afgestoten wordt van een proces bij een temperatuur hoog genoeg om herwinning van een fractie van de energie voor nuttige doeleinden op een economische manier toe te laten.

In de definitie van afvalwarmte is impliciet dat de afvalstromen die de warmte dragen uiteindelijk mengen met atmosferische lucht of grondwater en dat de energie binnen deze stromen onbeschikbaar wordt als nuttige energie. De absorptie van afvalenergie door het milieu wordt vaak aangeduid als thermische verontreiniging.

Herwinning van afvalwarmte kan uitgevoerd worden door verschillende afvalwarmte herwinning (AWH) technologieën om waardevolle energiebronnen te leveren en het totale energieverbruik te reduceren. Er zijn diverse AWH technologieën beschikbaar die gebruikt kunnen worden voor het vangen en herwinnen van afvalwarmte.

Een aanzienlijk deel van de energie gebruikt in industriële processen wordt verspild als warmte in de vorm van uitlaatgassen, luchtstromen, en vloeistoffen/vaste stoffen die het proces verlaten. Het is niet technisch en economisch haalbaar om alle afvalwarmte te herwinnen. Een verhoogd gebruik van AWH technologieën dient ook om broeikasgas (BKG) uitstoot te verminderen.

AWH technologieën bestaan uit het vangen en overbrengen van de afvalwarmte van een proces met een gas, vloeistof, of vast stof terug naar het systeem als een extra energiebron. De energiebron kan gebruikt worden om additionele warmte te creëren of om elektrisch en mechanisch vermogen te genereren. Afvalwarmte kan op elke temperatuur afgestoten worden. Meestal hoe hoger de temperatuur van de afvalwarmte, hoe hoger de kwaliteit van de afvalwarmte en hoe makkelijker de optimalisatie van het AWH proces. Daarom is het belangrijk om het maximum herwinbare warmte van het hoogste potentieel uit een proces te ontdekken en het bereiken van de maximale efficiëntie van een AWH systeem te waarborgen.

Bronnen van afvalwarmte omvatten normaal warmteverlies overgedragen door geleiding, convectie, en straling van de producten, apparatuur en processen en warmte afgestoot van verbrandingsprocessen. Warmteverlies kan geclassificeerd worden in: (i) hoge temperatuur warmte, (ii) middeltemperatuur warmte, en (iii) lage temperatuur warmte. AWH technologieën zijn beschikbaar voor elk type afvalwarmte om de meest optimale efficiëntie van AWH te bereiken.

Hoge temperatuur AWH bestaat uit het herwinnen van afvalwarmte bij temperaturen hoger dan 400 °C, het middeltemperatuur afvalwarmtebereik is 100 °C tot 400 °C en het lage temperatuur afvalwarmtebereik is voor temperaturen lager dan 100 °C. Over het algemeen komt de meeste afvalwarmte in het hoge temperatuurbereik van directe verbrandingsprocessen, in het middeltemperatuurbereik van de uitlaat van verbrandingseenheden, en in het lage temperatuurbereik van onderdelen, producten en de apparatuur van processeenheden.

Afhankelijk van het type en bron van afvalwarmte en om te rechtvaardigen welk afvalwarmte herwinningsysteem gebruikt kan worden, is het essentieel om de hoeveelheid en graad van herwinbare warmte uit het proces te onderzoeken. Er zijn drie belangrijke parameters gebruikt in de kwantificering van afvalwarmte. Deze parameters zijn: (i) hoeveelheid, (ii) kwaliteit, en (iii) temporele beschikbaarheid.

De hoeveelheid of het bedrag van beschikbare afvalwarmte kan berekend worden met de vergelijking Q = V x d x Cp x (T1-T2). Hier is Q de warmte-inhoud, V de doorsnelheid van de stof die de warmte draagt, d de dichtheid van de stof, Cp de specifieke warmte van de stof, en (T1-T2) het temperatuurverschil tussen de finale hoogste temperatuur in de uitlaat (T2) en de initiële temperatuur in de toevoer (T1) van het systeem. De hoeveelheid beschikbare afvalwarmte kan ook uitgedrukt worden in termen van de entalpiestroom van de afvalstroom en wordt gegeven door de vergelijking H = m x h waar H de totale entalpiestroom van de afvalstroom is, m de massastroomsnelheid van de afvalstroom en h de specifieke entalpie van de afvalstroom.

De kwaliteit kan ruwweg uitgedrukt worden in termen van de temperatuur van de afvalstroom. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer afvalwarmte beschikbaar is voor herwinning. AWH van lagere temperatuurbronnen, zoals afkoelwater van machines en condensatoren, is over het algemeen iets moeilijker, en betreft typisch het gebruik van warmtepompen om de temperatuur te verhogen tot een geschikte temperatuur voor herwinning.

De temporele beschikbaarheid is een maat voor de beschikbaarheid van afvalwarmte op momenten dat het nodig is. Het matchen van de beschikbaarheid van de afvalwarmte met de uiteindelijke belasting is een belangrijke overweging in de effectiviteit van AWH. Daarom hangt de bruikbaarheid van afvalwarmte niet alleen af van de beschikbare hoeveelheid maar ook of de kwaliteit past bij de vereisten van de potentiële belasting en of het beschikbaar is op de momenten dat het vereist is (temporele beschikbaarheid).

Kosteneffectieve AWH en hergebruik omvat de identificatie van afvalwarmtebronnen van voldoende kwaliteit, hoeveelheid, en temporele beschikbaarheid, en verwarmingsbelasting die de herwonnen afvalwarmte kan hergebruiken. Er zijn diverse processen in het lage tot middeltemperatuurbereik die afvalwarmte kunnen hergebruiken. Deze processen worden in verschillende industrieën gebruikt. Bijvoorbeeld, bepaalde distillatieoperaties zijn ideaal voor open-lus warmtepompsystemen die mechanisch de 'bovenste' distillatiedamp recomprimeren wat dan toegelaten wordt te condenseren in de rebouilloir waar het de 'bodem' product in de distillatiekolom verdampt. Deze toepassingen omvatten typisch kleine temperatuurverschillen en zijn vaak meer kosteneffectief dan het gebruik van brandstofverbranding om de rebouilloir te verwarmen en een koeltoren om de warmte in het distillaat af te voeren.

Evaluatie van de haalbaarheid van AWH vereist karakterisering van de afvalwarmtebron, en de stroom waaraan de warmte overgebracht gaat. Belangrijke afvalwarmtestroomparameters die bepaald moeten worden omvatten: (i) warmtehoeveelheid, (ii) warmte temperatuur/kwaliteit, (iii) samenstelling, (iv) minimum toegestane temperatuur, en (v) operationele schema's, beschikbaarheid, en andere logistiek. Deze parameters stellen analyse van de kwaliteit en hoeveelheid van de stroom mogelijk en bieden ook inzicht in mogelijke materiaal/ontwerp beperkingen. Als voorbeeld, corrosie van warmteoverdrachtsmedia is van aanzienlijke zorg in AWH, zelfs wanneer de kwaliteit en hoeveelheid van de stroom acceptabel is.

AWH opties en technologieën

Benaderingen voor AWH omvatten: (i) overdracht van warmte tussen gassen en/of vloeistoffen, (ii) overdracht van warmte aan de lading die ovens binnenkomt, (iii) generatie van mechanisch en/of elektrisch vermogen, of (iv) gebruik van afvalwarmte met een warmtepomp voor verwarming of koeling van faciliteiten. De terminologie voor AWH technologieën varieert vaak tussen verschillende industrieën. De belangrijkste AWH technologieën worden hieronder beschreven.

Warmtewisselaars

Warmtewisselaars worden normaal gebruikt om warmte over te dragen van verbrandingsuitlaatgassen naar verbrandingslucht die de oven binnenkomt. Aangezien voorverwarmde verbrandingslucht de oven binnenkomt bij een hogere temperatuur, hoeft minder energie door de brandstof geleverd te worden. Veelvoorkomende technologieën gebruikt voor luchtvoorverarming omvatten recuperatoren, ovenregeneratoren, branderregeneratoren, rotatie regeneratoren, en passieve luchtvoorverhitters.

Recuperator

Recuperatoren herwinnen afvalwarmte van uitlaatgas in middeltot hoge temperatuur toepassingen. Recuperatoren kunnen gebaseerd zijn op straling, convectie, of combinaties van de twee.

Een eenvoudige stralingsrecuperator bestaat uit twee concentrische lengtes van kanaalwerk. Hete afvalgassen passeren door het binnenkanaal en warmteoverdracht wordt voornamelijk gestraald naar de wand en naar de koude binnenkomende lucht in de buitenmantel. De voorverwarmde mantellucht reist dan naar de ovenbranders. De convectieve of buistype recuperator (warmtewisselaar) laat de hete gassen door relatief kleine diameter buizen in een grotere mantel passeren. De binnenkomende verbrandingslucht gaat de mantel binnen en wordt om de buizen heen afgeleid, warmte opvangend van het afvalgas. Een andere alternatief is de gecombineerde straling/convectie recuperator. Het systeem omvat een stralingsectie gevolgd door een convectiesectie om de warmteoverdrachts效果 te maximaliseren.

Recuperatoren zijn geconstrueerd uit of metaal of keramische materialen. Metaalrecuperatoren worden gebruikt in toepassingen met temperaturen onder 1100 °C, terwijl warmteherwinning bij hogere temperaturen beter geschikt is voor keramische buisrecuperatoren. Deze kunnen werken met warme kant temperaturen zo hoog als 1550 °C, en koude kant temperaturen van ongeveer 1000 °C.

Regenerator

Regeneratoren zijn van twee typen namelijk: (i) ovenregeneratoren, en (ii) rotatie regeneratoren of warmterad. In het geval van ovenregenerator, bestaan regeneratieve ovens uit twee stenen damwerk kamers door welke hete en koude luchtstroom afwisselend. Als verbrandingsuitlaatgassen door de ene kamer passeren, absorberen de stenen warmte van het verbrandingsgas en er is toename in de temperatuur. De luchtstroom wordt dan aangepast zodat de binnenkomende verbrandingslucht door het hete damwerk passeert, wat warmte overbrengt naar de verbrandingslucht die de oven binnenkomt. Twee kamers worden gebruikt zodat terwyl de ene warmte absorbeert van de uitlaatgassen, de ander warmte overbrengt naar de verbrandingslucht. De richting van de luchtstroom wordt na een tijdsinterval gewijzigd. Regeneratoren worden meest frequent gebruikt met cokesovens, en waren historisch gebruikt met open haardovens, vroeger gebruikt voor staalvervaardiging. Regeneratoren worden ook gebruikt om de hete blast voor te verwarmen die aan blastovens gebruikt wordt in ijzerproductie. Echter, regenerators in blastovens zijn geen warmteherwinningsapplicatie, maar slechts de manier waarop warmte vrijgegeven van gasverbranding overgebracht wordt naar de hete blastlucht. Regeneratorsystemen zijn met name geschikt voor hoge temperatuur toepassingen met vuile uitlaatgassen. Een groot nadeel van ovenregeneratoren is de grote grootte en hoge kapitaalkosten.

In het geval van rotatie regeneratoren, werken ze vergelijkbaar met de vaste regeneratoren in die warmteoverdracht vergemakkelijkt wordt door warmte op te slaan in een porieuze media, en door de stroom van hete en koude gassen door de regenerator af te wisselen. Rotatie regeneratoren worden ook soms aangeduid als luchtvoorverhitters en warmteraden. Ze gebruiken een roterende porieuze schijf geplaatst over twee parallelle pijpen, een bevattende het hete afvalgas, de andere koud gas. De schijf, samengesteld uit een hoge warmtecapaciteit materiaal, roteert tussen de twee pijpen en overbrengt warmte van het hete gaspijp naar het koude gaspijp. Warmteraden zijn over het algemeen beperkt tot lage en middeltemperatuur toepassingen door de thermische stress gecreëerd door hoge temperaturen. Grote temperatuurverschillen tussen de twee pijpen kunnen leiden tot differentiele expansie en grote vervormingen, wat de integriteit van het pijprad lucht afdichtingen compromitteert. In sommige gevallen, kunnen keramische wielen gebruikt worden voor hogere temperatuur toepassingen. Een andere uitdaging met warmteraden is het voorkomen van kruisbesmetting tussen de twee gasstromen, aangezien verontreinigingen getransporteerd kunnen worden in het porieuze materiaal van het wiel.

Een voordeel van het warmterad is dat het ontworpen kan worden om vocht cũng als warmte van schone gasstromen te herwinnen. Wanneer ontworpen met hygroscopische materialen, kan vocht van de ene pijp naar de andere pijp overgebracht worden. Dit maakt de warmteraden nuttig met name in airconditioning toepassingen, waar binnenkomende warme vochtige lucht warmte en vocht overbrengt naar koude uitgaande lucht. Behalve zijn hoofptoepassing in ruimteverwarming en airconditioning systemen, worden warmteraden ook in beperkte mate gebruikt in middeltemperatuur toepassingen.

Passieve luchtvoorverhitters

Passieve luchtvoorverhitters zijn gas-naar-gas warmteherwinningsapparatuur voor lage tot middeltemperatuur gebruiken waar kruisbesmetting tussen twee gasstromen voorkomen moet. Passieve voorverhitters kunnen van twee typen zijn namelijk: (i) plaatstype, en (ii) warmtepijp.

De plaatstype wisselaar bestaat uit meerdere parallelle platen die afzonderlijke kanalen creëren voor hete en koude gasstromen. Hete en koude stromen afwisselen tussen de platen en stellen substantiële oppervlakken voor warmteoverdracht beschikbaar. Deze systemen zijn minder gevoelig voor besmetting vergeleken met warmteraden, maar ze zijn vaak bulker, duurder, en meer gevoelig voor vervuiling problemen.

De warmtepijp warmtewisselaar bestaat uit verschillende pijpen met afgedichte uiteinden. Elke pijp bevat een kapillaire pitstructuur die de beweging van het werkvloeistof tussen de hete en koude uiteinden van de pijp vergemakkelijkt. In deze warmtewisselaar, passeren hete gassen over een uiteinde van de warmtepijp, wat het werkvloeistof binnen de pijp doet verdampen. Drukgradienten langs de pijp veroorzaken dat de hete damp naar het andere uiteinde van de pijp beweegt, waar de damp condenseert en warmte overbrengt naar het koude gas. Het condensaat cycelt dan terug naar de hete kant van de pijp via kapillaire werking.

Regeneratieve/herstelbare branders

Deze branders incorporeren regeneratieve of herstelbare systemen. Ze zijn eenvoudiger en compacter in ontwerp en constructie dan een zelfstandige regeneratieve ovens of recuperatoren. Deze systemen bieden verhoogde energie-efficiëntie vergeleken met branders die werken met omgevingslucht. Een zelf-herstellende brander incorporeert warmtewisseloppervlakken als deel van het branderlichaamontwerp om energie van de vertrekkende rookgassen te vangen, die terug door het lichaam passeren. Zelf-regeneratieve branders laten uitlaatgassen door het branderlichaam in een refraktair media huis en werken in paren op vergelijkbare manier als een regeneratieve oven. Typisch, hebben herstelbare brandersystemen minder warmtewisseloppervlak en regeneratieve brandersystemen lagere massa dan zelfstandige eenheden. Daarom is hun energieherwinning lager maar hun lagere kosten en gemak van retrofitting maken ze een aantrekkelijke optie voor energieherwinning.

Gevinde buis warmtewisselaars/economizers

Gevinde buis warmtewisselaars worden gebruikt om warmte te herwinnen van lage tot middeltemperatuur uitlaatgassen voor het verwarmen van vloeistoffen. De gevinde buis bestaat uit een ronde pijp met aangebrachte vinnen die het oppervlak en de warmteoverdrachtsnelheden maximaliseren. Vloeistof stroomt door de buizen en ontvangt warmte van hete gassen die over de buizen stromen. Een gevinde buis wisselaar, waar keteluitlaatgassen gebruikt worden voor voederwater voorverarming, wordt over het algemeen aangeduid als ketel 'economizer'.

Afvalwarmteketel

Afvalwarmteketel (AWK) is een waterbuisketel die middeltot hoge temperatuur uitlaatgassen gebruikt om stoom te genereren. AWK's zijn beschikbaar in een verscheidenheid aan capaciteiten, wat toelaat voor gasinlaten van 1500 m³/uur tot 1,5 miljoen m³/uur. In gevallen waar de afvalwarmte niet voldoende is voor het produceren van gewenste stoomniveaus, worden hulpbranders of een nabranders normaal toegevoegd om hogere stoomopbrengst te bereiken. De stoom kan gebruikt worden voor procesverarming of voor stroomopwekking. Generatie van oververhitte stoom vereist over het algemeen toevoeging van een externe oververhitter aan het systeem.

Lading voorverarming

Lading voorverarming verwijst naar alle inspanningen om afvalwarmte die een systeem verlaat te gebruiken om de lading die het systeem binnenkomt voor te verwarmen. Het meest voorkomende voorbeeld is ketelvoederwater voorverarming, waar een economizer warmte overbrengt van hete verbrandingsuitlaatgassen naar het water dat de ketel binnenkomt. Andere toepassingen benutten directe warmteoverdracht tussen verbrandingsuitlaatgassen en vaste materialen die de oven binnenkomen.

Terwijl ketelvoederwater voorverarming een standaardpraktijk is, is lading voorverarming van materiaal vóór smelten in direct verbrande systemen niet zo wijdverspreid gebruikt. Dit is door een verscheidenheid aan redenen, met inbegrip van moeilijkheden in het controleren van productkwaliteit, kwesties geassocieerd met milieu-emissies, en de verhoogde complexiteit en kosten van het bouwen van geavanceerde ovenlaad-/warmteherwinningsystemen. Niettemin, heeft warmteherwinning via lading voorverarming in de laatste jaren verhoogde aandacht gekregen. De beschikbare technologieën en barrières voor verschillende lading voorverarming ovens variëren aanzienlijk afhankelijk van het type oven en lading in kwestie.

Lage temperatuur energieherwinning opties en technologieën

Terwijl economie vaak de haalbaarheid van lage temperatuur AWH beperkt, zijn er diverse toepassingen waar lage graad afvalwarmte kosteneffectief herwonnen is voor gebruik. De grote hoeveelheden afvalwarmte zijn beschikbaar in het bereik van 40 °C tot 200 °C en er zijn de inherente uitdagingen tot herwinning en gebruik die een afzonderlijke en diepgaande onderzoek van lage temperatuur AWH vereisen.

De meeste industriële afvalwarmte is in het lage temperatuurbereik. Bijvoorbeeld, verbrandingssystemen zoals ketels gebruiken frequent herwinningstechnologieën die uitlaatgassen uitstoten bij ongeveer 150 °C tot 180 °C. Ook kunnen grote hoeveelheden afvalwarmte gevonden worden in industriële afkoelwater en afkoellucht. Bijvoorbeeld, afkoeling van luchtcompressoren alleen rekening voor aanzienlijke hoeveelheid afvalwarmte per jaar. Een geïntegreerde staalfabriek (ISP) in Japan heeft met succes een opwekkingscentrale met een 3,5 MW capaciteit geïnstalleerd gebruikmakend van afkoelwater van slechts 98 °C.

In het geval van verbrandingsuitlaatgassen, kan aanzienlijke warmte herwonnen worden als waterdamp in de gassen afgekoeld wordt tot lagere temperaturen. Minimum temperatuurlimieten rond 120 °C tot 150 °C worden vaak toegepast om water in de uitlaatgassen te voorkomen van condenseren en corrosieve stoffen op het warmtewisselaaroppervlak te depositeren. Echter, het verder afkoelen van de rookgassen kan de warmteherwinning aanzienlijk verhogen door het laten herwinnen van de latente warmte van verdamping. De latente warmte omvat een significant deel van de energie in de uitlaatgassen. Technologieën, die chemische aanval kunnen minimaliseren tijdens het afkoelen van rookgassen onder het condensatiepunt, kunnen aanzienlijke toenames in energie-efficiëntie bereiken via het herwinnen van de latente warmte van verdamping. Fig. 1 toont de energieherwinning met verschillende rookgasaafvoertemperaturen. Als gassen afgekoeld worden van 150 °C tot 60 °C, dan is er een 3% efficiëntietoename. Verder afkoelen van gassen tot 38 °C vangt een deel van de latente warmte en kan een 11% efficiëntietoename opleveren.

Er zijn drie uitdagingen die tegengehouden worden door de lage temperatuur warmteherwinning. Deze uitdagingen zijn als hieronder gegeven.

• Er is corrosie van het warmtewisselaaroppervlak. Naarmate de waterdamp in de uitlaatgas afkoelt, condenseert er een deel en depot corrosieve vastestoffen en vloeistoffen op het warmtewisselaaroppervlak. De warmtewisselaar moet ontworpen zijn om blootstelling aan deze corrosieve afzettingen te weerstaan. Dit vereist over het algemeen gebruik van geavanceerde materialen, of vervanging van de componenten van de warmtewisselaar frequent, wat vaak onconomisch is.
• Grote warmtewisseloppervlakken zijn nodig voor warmteoverdracht. Warmteoverdrachtsnelheden zijn een functie van de thermische geleiding van het warmtewisselmateriaal, het temperatuurverschil tussen de twee vloeistofstromen, en het oppervlak van de warmtewisselaar. Aangezien lage temperatuur afvalwarmte een kleiner temperatuurgradient tussen twee vloeistofstromen betreft, zijn grotere oppervlakken nodig voor warmteoverdracht. Dit beperkt de economie van warmtewisselaars.
• Er is noodzaak van een vereiste voor de lage temperatuur warmte. Herwinnen van warmte in het lage temperatuurbereik heeft alleen zin als er een behoefte is in de fabriek voor de lage temperatuur warmte. Potentiële eindgebruik is lage temperatuur procesverarming. Andere opties omvatten het gebruik van een warmtepomp om warmte 'te upgraden' naar een hogere temperatuur om een belasting te bedienen die hogere temperaturen vereist. Ook lage temperatuur stroomopwekkingstechnologieën komen langzaam op.

Lage temperatuur warmtewisselingstechnologieën

Lage temperatuur warmtewisselingstechnologieën zijn beschikbaar die gassen kunnen afkoelen onder dauwpunttemperaturen om lage temperatuur afvalwarmte te herwinnen. Technologieopties omvatten diepe economizers, indirecte contact condensatieherwinning, directe contact condensatieherwinning, en recent ontwikkelde transportmembraan condensatoren. Commercialisatie van deze technologieën is beperkt door hoge kosten en omdat faciliteiten een eindgebruik missen voor de herwonnen warmte. Wanneer faciliteiten een eindgebruik missen voor afvalwarmte, worden andere middelen voor herwinning gebruikt die warmtepompen en lage temperatuur stroomopwekking omvatten. Deze technologieën zijn ook frequent beperkt door economische beperkingen.

Diepe economizers

Diepe economizers zijn ontworpen om uitlaatgas af te koelen tot ongeveer 70 °C en om de zure condensaat die op zijn oppervlak deponeert te weerstaan. Ontwerp van de economizers kan verschillende alternatieven hebben. Het kan installatie van een 'wegwerp' sectie op het koude uiteinde van de economizer hebben. De pijpen aan het koude uiteinde degraderen over tijd en moeten erg vaak vervangen worden. De frequentie van vervanging hangt af van de rookgassamenstelling en het bouwmateriaal. Een van de alternatieven bestaat uit het ontwerpen van de economizer met roestvrije staal pijpen. Roestvrij staal kan zure gassen beter weerstaan dan het zachte staal typisch gebruikt in constructie. In een ander ontwerp, het gebruik van C-staal voor het merendeel van de warmtewisselaar, maar roestvrije staal pijpen aan het koude uiteinde waar zure afzettingen optreden. Het gebruik van glas pijp warmtewisselaars (voornamelijk voor gas-gas toepassingen zoals luchtvoorverhitters) of geavanceerde materialen zoals Teflon kunnen andere alternatieven zijn.

Indirecte contact condensatieherwinning

Indirecte contact condensatieherwinning eenheden koelen gassen tot ongeveer 40 °C. In dit bereik condenseert de waterdamp in gassen bijna volledig. Indirecte contact wisselaars bestaan uit een mantel en buis warmtewisselaars. Ze kunnen ontworpen worden met roestvrij staal, glas, Teflon, of andere geavanceerde materialen.

Directe contact condensatieherwinning

Directe contact condensatieherwinning betreft direct menging van de processtroom en koelvloeistof. Aangezien dit type herwinning geen scheidende wand omvat waarover warmte overgedragen moet worden, vermijdt het sommige van de uitdagingen van grote warmteoverdrachtsoppervlakken vereist voor indirecte contact herwinningseenheden. In dit type herwinning, als rookgassen de warmtewisselaar binnengaan, worden ze afgekoeld door koud water geïntroduceerd aan de top van de eenheid. Het verwarmde waterstroom verlaat door de bodem van de wisselaar en levert warmte aan een extern systeem. Een uitdaging met directe contact condensatie is dat het water besmet kan worden door stoffen in de rookgas.

Transportmembraan condenser

Transportmembraan condenser (TMC) is een ontwikkelende technologie voor het vangen van water (tezamen met water's latente warmte) uit de waterdamp in gasuitlaatstromen. Water wordt onttrokken aan de rookgas bij temperaturen boven dauwpunt door het toepassen van capillair condensatie en gerecycled in het ketelvoederwater. Zoals in de directe contact warmteherwinning, haalt TMC heet water direct uit de rookgas. Echter, aangezien TMC het water herwint via transport door een membraan, wordt het herwonnen water niet besmet als in de directe contact herwinning. De technologie is gedemonstreerd voor schone uitlaatstromen in een aardgasgestookte ketel. Echter, TMC vereist verdere ontwikkeling in geavanceerde materialen voordat wijdverspreide implementatie voor vuilere afvalstromen mogelijk is.

Warmtepomp of upgraden van lage temperatuur afvalwarmte

Warmtewisselingstechnologieën genoemd hierboven betreffen stroom van energie 'afwaarts' van een hoge temperatuur naar een lage temperatuur eindgebruik. Dit kan beperkingen opleggen aan kansen voor warmteherwinning wanneer de afvalwarmtetemperatuur onder de temperatuur ligt die nodig is voor een gegeven verwarmingsbelasting. Als voorbeeld, afvalwarmte kan beschikbaar zijn in de vorm van heet water bij ongeveer 35 °C, terwijl heet water bij ongeveer 85 °C nodig is. In zo'n geval kan een warmtepomp kansen bieden voor 'upgraden' van warmte naar de gewenste eindgebruikstemperatuur. Warmtepompen gebruiken externe energie-invoeren om een cyclus aan te drijven die energie absorbeert van een lage temperatuurbron en afstoot bij een hogere temperatuur. Afhankelijk van het ontwerp, kunnen warmtepompen twee functies vervullen. Ze kunnen of afvalwarmte upgraden naar een hogere temperatuur, of afvalwarmte gebruiken als energiebron voor het aandrijven van een absorptie koelsysteem. Warmtepompen zijn meest toepasbaar op lage temperatuur productstromen gevonden in procesindustrieën.

Upgraden van warmte kan economisch zijn in sommige gevallen afhankelijk van het benodigde temperatuurverschil en de relatieve kosten van brandstof en elektriciteit. Als een faciliteit een warmtebelasting heeft bij een iets hogere temperatuur dan de afvalwarmtebron, kan de warmte soms efficiënter geleverd worden door een warmtepomp dan als het verkregen zou worden van verbranden van additionele brandstof. De prestatiecoëfficiënt (COP) is een maat voor warmtepomppprestatie, bepaald uit de warmte-uitvoer en werk-invoer en gegeven door vergelijking COP = Q/W waar Q de nuttige warmte-uitvoer van de warmtepomp is, en W de werk-invoer.

Een belangrijke overweging in het bepalen van de haalbaarheid van warmtepompen is de afvalwarmtetemperatuur en de gewenste lift in de temperatuur. Het type cyclus gebruikt en het type werkvloeistof gekozen beïnvloeden de temperaturen waarop de warmtepomp warmte kan ontvangen of afstoten, alsmede de maximale lift in temperatuur bereikbaar bepalen. De efficiëntie van een warmtepomp daalt naarmate de gewenste lift in temperatuur toeneemt.

Gesloten compressiecyclus

In gesloten compressiecyclus, wordt een warmtepomp gebruikt om de temperatuur van het afkoelwater te verlagen, terwijl de onttrokken warmte gebruikt wordt om de temperatuur van proceswater elders in de fabriek te verhogen. De warmtepomp bestaat uit verdamper, compressor, condenser, en expanseerklep. In de verdamper, wordt energie overgedragen van de afvalwarmtebron aan het koelmiddel. Dan gaat het koelmiddel de compressor in, waar de temperatuur toeneemt. Oververhit koelmiddel gaat dan de condenser in en overbrengt warmte aan de warmteput. Ten slotte, wordt het koelmiddel gedrosseld in een expanseerklep voordat het terugkeert naar de verdamper.

Open cyclus damprecompressie

De open cyclus damprecompressie gebruikt compressie om de druk (en gevolglik de temperatuur) van de afvaldamp te verhogen. Mechanische damprecompressie gebruikt een mechanische compressor, terwijl thermische damprecompressie een stoomejector gebruikt, en dus warmte-gedreven is in plaats van mechanisch gedreven.

Absorptie warmtepompen

Absorptie warmtepompen zijn erg vergelijkbaar met de gesloten compressiecyclus, behalve dat de compressor vervangen wordt door een complexere, warmte-gedreven absorptiemechanisme. Afhankelijk van de fabrieksbehoeftes, kan het systeem in meerdere manieren geconfigureerd worden. In één type, kan warmtepomp een lagere en een hogere temperatuur warmteinvoer gebruiken om warmte af te stoten op een intermediair niveau (bijv. de lage temperatuur warmte upgraden). In een ander type, kan warmtepomp een middeltemperatuur invoer gebruiken om warmte af te stoten in één lagere temperatuurstroom en één hogere temperatuurstroom. Deze tweede toepassing kan gebruikt worden voor airconditioning en/of koeling.

Stroomopwekking

Genereren van stroom uit afvalwarmte omvat typisch het gebruik van de afvalwarmte van ketels om mechanische energie te creëren wat dan de elektrische generator aandrijft. Deze stroomcycli zijn goed ontwikkeld. Echter, nieuwe technologieën worden ontwikkeld die elektriciteit direct uit warmte kunnen genereren, zoals thermoelektrische en piezoelektrische generatie. Bij het overwegen van stroomopwekkingstechnologieën voor AWH, is een belangrijk factor om in gedachten te houden de thermodynamische beperkingen op stroomopwekking bij verschillende temperaturen. De efficiëntie van stroomopwekking is zwaar afhankelijk van de temperatuur van de afvalwarmtebron. In het algemeen is stroomopwekking uit afvalwarmte beperkt tot alleen middeltot hoge temperatuur afvalwarmtebronnen. Echter, vooruitgang in alternatieve stroomcycli kan de haalbaarheid van generatie bij lage temperaturen vergroten. Hoewel de maximale efficiëntie bij deze temperaturen lager is, kunnen deze schema's nog economisch zijn in het herwinnen van grote hoeveelheden energie uit afvalwarmte.

De drie methoden voor de generatie van stroom door het gebruik van mechanische energie worden hieronder beschreven.

Stoom Rankine cyclus

Het meest frequent gebruikte systeem voor stroomopwekking uit afvalwarmte omvat het gebruik van de warmte om stoom te genereren, wat dan een stoomturbin aandrijft. De traditionele stroom Rankine cyclus is de meest efficiënte optie voor afvalwarmteherwinning uit uitlaatstromen met temperaturen boven 340 °C. Bij lagere afvalwarmtetemperaturen, worden stoomcycli minder kosteneffectief, aangezien lage druk stoom grotere apparatuur nodig heeft. Bovendien kan lage temperatuur afvalwarmte niet voldoende energie leveren om de stoom te oververhit, wat een vereiste is voor het voorkomen van stoomcondensatie en erosie van de turbinenschoven. Daarom zijn lage temperatuur warmteherwinning toepassingen beter geschikt voor de organische Rankine cyclus of Kalina cyclus, die vloeistoffen met lagere kookpunten dan stoom gebruiken.

Organische Rankine cyclus

De organische Rankine cyclus (ORC) werkt vergelijkbaar met de stroom Rankine cyclus, maar gebruikt een organisch werkvloeistof in plaats van stoom. Alternatieven omvatten siliconenolie, propaan, halo-alkanen (bijv. freons), iso-pentaan, iso-betaan, p-xyleen, en tolueen, die een lager kookpunt en hogere dampdruk hebben dan water. Dit stelt ORC in staat om met significant lagere afvalwarmtetemperaturen te werken. Het meest geschikte temperatuurbereik hangt af van het gebruikte vloeistof, aangezien de vloeistof thermodynamische eigenschappen de efficiëntie van de cyclus bij verschillende temperaturen beïnvloeden. In vergelijking met waterdamp, hebben de vloeistoffen een hogere moleculaire massa, wat compacte ontwerpen, hogere massastroom, en hogere turbine-efficiënties mogelijk maakt. Echter, aangezien ORC functioneert bij lagere temperaturen, is de algehele efficiëntie laag en hangt af van de temperatuur van de condenser en verdamper. Hoewel de efficiëntie lager is dan een hoge temperatuur stoom elektriciteitscentrale, is het belangrijk te onthouden dat lage temperatuur cycli inherent minder efficiënt zijn dan hoge temperatuur cycli. Limieten op efficiëntie kunnen uitgedrukt worden volgens Carnot efficiëntie wat de maximale mogelijke efficiëntie is voor een warmte motor opererend tussen twee temperaturen. Een Carnot motor opererend met een warme bron bij 150 °C en afstotend bij 25 °C is slechts ongeveer 30% efficiënt. In dit licht, is een lage efficiëntie in het bereik van 10% tot 20% in het geval van ORC een substantieel percentage van theoretische efficiëntie, met name in vergelijking met andere lage temperatuur alternatieven, zoals piezoelektrische generatie, die slechts 1% efficiënt zijn.

Hoewel de economie van ORC, warmteherwinning zorgvuldig geanalyseerd moet worden voor elke gegeven toepassing, is het een nuttige alternatief in die industrieën die geen intern gebruik hebben voor additionele proceswarmte of geen burenfabrieken die economisch gebruik kunnen maken van de warmte.

Kalina cyclus

De Kalina cyclus is een variatie van de Rankine cyclus, die een mengsel van ammonia en water gebruikt als het werkvloeistof. Een belangrijk verschil tussen enkelvoudige vloeistof cycli en cycli die binaire vloeistoffen gebruiken is het temperatuurprofiel tijdens koken en condensatie. Voor enkelvoudige vloeistof cycli, blijft de temperatuur constant tijdens koken. Als warmte overgedragen wordt aan het werkmiddel (water), stijgt de watertemperatuur langzaam tot kooktemperatuur, waar de temperatuur constant blijft totdat al het water is verdampt. In tegenstelling, neemt een binaire mengsel van water en ammonia (elk met een ander kookpunt) zijn temperatuur toe tijdens verdamping. Dit stelt betere thermische matching met de afvalwarmtebron en met het koelmiddel in de condenser toe. Gevolglik bereiken deze systemen aanzienlijk grotere energie-efficiëntie. De cyclus is uitgevonden in de jaren '80.

Directe elektrische conversie technologieën

Waar traditionele stroomcycli warmte gebruiken om mechanische energie en uiteindelijk elektriciteit te creëren, worden nieuwe technologieën ontwikkeld die elektriciteit direct uit warmte kunnen genereren. Deze omvatten thermoelektrische, thermionische, en piezoelektrische technologieën. Echter, deze technologieën zijn in ontwikkelingsstadium. Een paar hebben enige prototype testen ondergaan in toepassingen zoals warmteherwinning in automobiele voertuigen.

Thermoelektrische generatie

Thermoelektrische (TE) materialen zijn halfgeleider vastestoffen die directe generatie van elektriciteit toelaten wanneer onderworpen aan een temperatuursverschil. Deze technologie is gebaseerd op een fenomeen bekend als het Seebeck effect wat stelt dat wanneer twee verschillende halfgeleider materialen onderworpen zijn aan een warme bron en warmteput, een spanning gecreëerd wordt tussen de twee halfgeleiders. Integendeel, TE materialen kunnen ook gebruikt worden voor koeling of verarming door elektriciteit toe te passen op ongelijke halfgeleiders. Thermoelektrische technologie bestaat al lang (het thermoelektrische effect werd voor het eerst ontdekt in 1821), maar heeft beperkt gebruik gezien door lage efficiënties en hoge kosten. De meeste TE generatiesystemen in gebruik hebben efficiënties in het bereik van 2% tot 5%. Deze zijn voornamelijk gebruikt om instrumenten op ruimtevaartuigen of in erg afgelegen locaties aan te drijven. Echter, recente vooruitgang in de nanotechnologie heeft geavanceerde TE materialen mogelijk gemaakt die conversie-efficiënties van 15% of hoger kunnen bereiken.

In een recent onderzoek is geconcludeerd dat geavanceerde TE pakketten geschikt zijn in middeltot hoge temperatuur, hoge doorsnelheid uitlaatstromen waar faciliteiten weinig gebruik hebben voor herwonnen afvalwarmte. Echter, meer ontwikkelingswerk is nodig in dit gebied. Lage kosten, hoge volume productiemethoden voor TE materialen moeten ontwikkeld worden om dit doel te bereiken. Ook, het handhaven van een hoog temperatuursverschil over dunne TE apparaten presenteert een significante ingenieursuitdaging. Het verkrijgen van hoge warmteoverdrachtsnelheden vereist vooruitgang in warmteoverdrachtsmaterialen en warmtewisselsystemen met hoge warmteoverdrachtscoëfficiënten.

Piezo-elektrische stroomopwekking

Piezo-elektrische stroomopwekking (PEPG) is een optie voor het converteren van lage temperatuur afvalwarmte in het bereik van 100 °C tot 150 °C naar elektrische energie. Piezo-elektrische technologie converteert mechanische energie in de vorm van omgevende trillingen naar elektrische energie. Een piezo-elektrische dunne filmmembraan kan profiteer van oscillerende gasuitbreiding om een spanninguitgang te creëren. Echter, er zijn diverse technische uitdagingen geassocieerd met PEPG technologieën. Deze omvatten: (i) lage efficiëntie (alleen rond 1% efficiënt), (ii) moeilijkheden blijven in het verkrijgen van voldoende hoge oscillerende frequenties (huidige apparaten werken bij ongeveer 100 Hz, en benodigde frequenties zijn dicht bij 1.000 Hz), (iii) hoge interne impedantie, (iv) complexe oscillerende vloeistofdynamica binnen de vloeistof/damp kamer, (v) behoefte aan lange termijn betrouwbaarheid en duurzaamheid, en (vi) hoge kosten.

Terwijl de conversie-efficiëntie van PEPG technologie momenteel erg laag is (1%), kunnen er vooruitzichten zijn om PEPG cascadering te gebruiken, in welk geval efficiënties ongeveer 10% kunnen bereiken. Andere kernkwesties zijn de kosten van het fabriceren van piezo-elektrische apparaten, alsmede het ontwerp van warmtewisselaars om voldoende warmteoverdrachtsnelheden te faciliteren over een relatief laag temperatuurverschil.

Thermionische generatie

Thermionische apparaten werken vergelijkbaar met thermo-elektrische apparaten. Echter, waar thermo-elektrische apparaten werken volgens het Seebeck effect, werken thermionische apparaten via thermionische emissie. In deze systemen, dryft een temperatuurverschil de stroom van elektronen door een vacuüm van een metaal naar een metaaloxide oppervlak. Een kernnadeel van deze technologie is dat het beperkt is tot toepassingen met hoge aanleg elektriciteit aan ongelijke halfgeleiders. Thermo-elektrische technologie heeft bestaan voor temperaturen boven 1.000 °C. Echter, enige ontwikkeling heeft hun gebruik mogelijk gemaakt bij ongeveer 100 °C tot 300 °C bereik.

Thermo-foto-voltaische generator

Thermo-foto-voltaische generatoren kunnen gebruikt worden om stralingsenergie om te zetten in elektriciteit. Deze technologie omvat een warme bron, een emitter, een stralingsfilter, en een foto-voltaische (PV) cel (zoals die gebruikt in zonnepanelen). Als de emitter verhit wordt, emiteert het elektromagnetische straling. De PV-cel converteert deze straling naar elektrische energie. Het filter wordt gebruikt om straling door te laten bij golflengtes die matchen met de PV-cel, terwijl de overige energie teruggekaatst wordt naar de emitter. Deze technologie kan potentiële nieuwe methoden voor AWH mogelijk maken. Een klein aantal prototypesystemen is gebouwd voor kleine brandertoepassingen en in een helikopter gasturbine.

AWH en ijzer- en staalindustrie

De ijzer- en staalindustrie gebruikt diverse hoge temperatuur ovens voor cokes, sinter, gietijzer, en staalproductie en staat voor hoog energieverbruik. Terwijl herwinning van schone gasstromen in de industrie algemeen is, blijven zwaar besmette uitlaatgassen van cokesovens, hoogovens (HO), basische zuurstofovens (BZO), en elektrisch boogovens (EBO) een uitdaging voor economische AWH. Warmteherwinningstechnieken van deze vuile gasstromen zijn beschikbaar, maar implementatie is beperkt door hoge kapitaalinvesteringskosten.

De staalindustrie heeft de grootste vooruitgang geboekt in het reduceren van zijn energie-intensiteit. Zulke vooruitgang is bereikt door continue gieting en optimalisatie van HO operatie, en ook door staalrecycling en vervanging van fossiele brandstoffen met gerecycled bijproductgassen (cokesovengas, hoofofengas, en convertergas). In-situ afvalwarmteherwinning is geïmplementeerd waar mogelijk, bijv. door hercirculatie van hete rookgassen binnen de oven waar ze gecreëerd werden om externe energiebehoefte te verlagen, of door hete rookgassen te gebruiken om verbrandingslucht of brandstofgas voor te verwarmen. Zulke energie-efficiëntieverbeteringen laten nog resterende afvalwarmteherwinningskansen over, bijv. om stoom te produceren voor andere delen van het proces of om elektriciteit te produceren.

AWH in het geval van staalfabrieken wordt hieronder beschreven.

Cokesproductie

Productie van cokes is een essentieel lastmateriaal voor HO operatie. Cokes wordt geproduceerd in cokesovens, waar koolstof in een zuurstofbeperkte atmosfeer wordt verhit. Er zijn twee methoden voor het produceren van cokes namelijk: (i) het bijproductproces, en (ii) het non-herwinningproces. In het bijproductproces, worden chemische bijproducten (ruwe teer, ammonia, en lichte oliën) in het cokesovengas herwonnen, terwijl het overige cokesovengas (COG) gereinigd en gerecycled wordt binnen de staalfabriek. In het non-herwinningproces, wordt het gehele COG in het proces verbrand. Het meest voorkomende type proces is nog steeds het bijproductproces en dit wordt hieronder besproken.

Bijproduct cokesmakerijproces heeft twee gebieden van zinnelijke warmteverlies namelijk: (i) COG wat afgekoeld wordt in het gasreinigingsproces, en (ii) afvalgas die de cokesoven verlaat. Het cokesmakerijproces gebruikt diverse cokesovenkamers gescheiden door verwarmingskanalen. Gerecycled COG, en soms andere gassen zoals HO gas, worden gebruikt als brandstofbron in het verwarmingskanaal en leveren warmte aan de ovenkamer waar koolstofverkoking plaatsvindt. Als koolstof verkokt in de ovenkamer, worden gas en vocht (rekenend voor ongeveer 8% tot 11% van geladen koolstof) afgedreven en verlaten door de pijpen. De COG heeft een hoge warmte-inhoud variërend van ongeveer 4000 kcal/m³ tot 4400 kcal/m³ en kan dus gerecycled worden voor gebruik als brandstof na een reinigingsproces te ondergaan.

De temperatuur van de ruwe COG aan de ovenuitlaat varieert van 650 °C tot 1000 °C. Op dit punt is de COG gas een bron van zinnelijke warmte. Echter, de warmte is universeel verspild door de hoge hoeveelheid teer en andere materialen die opbouw op warmtewisselaaroppervlakken kunnen veroorzaken. Bij het verlaten van de oven, wordt de COG afgekoeld door ammoniak liquor spuit gevolgd door primaire koelers. Verschillende technologieën worden vervolgens gebruikt voor het verwijderen van teer, zwavelverbindingen, ammonia, en lichte oliën. Na reiniging, wordt de COG gebruikt als brandstof doorheen de staalfabriek. In deze regeling wordt alleen de chemische energie van de COG herwonnen wanneer gerecycled, terwijl de zinnelijke warmte verspild wordt.

Terwijl de meeste staalfabrieken geen warmteherwinning van COG toepassen, is een beperkt niveau van warmteherwinning van COG mogelijk, zoals getoond door het succes van deze praktijk in Japan. Cokesovenfaciliteiten in Japan hebben met succes warmteherwinning toegepast door gebruik van een lage druk warmteoverdrachtsmedium. In het algemeen is de minimum toegestane temperatuur voor de COG in de warmtewisselaar ongeveer 450 °C. Bij lagere temperaturen, condenseert teer en leidt tot roetvorming op het warmtewisselaaroppervlak. Afkoelen tot 450 °C maakt slechts ongeveer een derde van de zinnelijke warmte te herwinnen. Het is onwaarschijnlijk dat ISP's in andere landen nieuwe technologieën voor warmteherwinning van ruwe cokesovengas zullen nastreven. Dit is aangezien ISP's geconfronteerd worden met kostenbarrières bij warmteherwinning van vuile uitlaatstromen. Ook, kan het bijproduct cokesmakerijproces in toekomstige jaren irrelevant worden. Het is waarschijnlijk dat ISP's zullen stappen van het bijproductproces naar het non-herwinningproces door milieuoverwegingen. In het non-herwinningproces, wordt het COG gas binnen het proces verbrand, en een AWK gebruikt om de zinnelijke warmte in de afgassen te herwinnen.

Een andere bron van zinnelijke warmteverlies in cokesovens is de afvalgassen van de verbranding van gerecycelde brandstofgassen. De gerecycelde brandstofgassen worden gebruikt in het verwarmingskanaal, wat angrenzend is aan de ovenkamer. Verbranding van de brandstofgassen genereert hete uitlaatgassen die de ovenkanaal verlaten en door een regenerator passeren om warmte over te dragen aan binnenkomende verbrandingslucht en/of brandstof. Afvalgassen verlaten de regenerator bij temperaturen gemiddeld rond 200 °C. In sommige installaties, wordt de warmte-inhoud van de afvalgassen verder herwonnen door gebruik van een warmtepijp of voor het voorverwarmen van koolsoflading en het verminderen van de vochtinhoud. In dit geval, daalt de temperatuur van de uitlaatgassen tot ongeveer 60 °C.

Productie van sinter

Sinterinstallatie bestaat uit twee hoofdsecties, sintersectie en sinterafkoelingsectie. Warmteherwinning van beide delen is ontwikkeld namelijk: (i) van sintersectie uitlaatgas, en (ii) van afkoelingsectie afkoelgas. Er is groot temperatuurverschil afhankelijk van de positie van de sectie. Gemiddelde gastemperatuur in beide secties is op het niveau van 100 °C tot 150 °C, te laag voor effectieve warmteherwinning. Warmteherwinning moet beperkt worden tot hoge gastemperatuurzone, het laatste deel van sintersectie en primaire deel van afkoelingsectie, waar gastemperaturen van 300 °C of hoger beschikbaar zijn. Hoewel warmteherwinningszone beperkt is, is het gasvolume van sinterproces groot genoeg voor praktische warmteherwinning.

Het afvalgas energieherwinningsysteem bestaat uit kap, stofvanger, warmteherwinningsketel, circulatieventilator en ontluchter. Sintermachine uitlaatgas is corroderend en bevat enige stof. Warmteherwinning is over het algemeen beperkt tot hoge gastemperatuurzone aangezien geaggregeerde gemiddelde temperatuur laag is voor warmteherwinning. Op hetzelfde moment, vanwege zijn corroderendheid, moet de gastemperatuur na warmteherwinning boven het zuur dauwpunt van het gas gehouden worden. Afkoelgas is basis lucht met enige stof. In het geval van sinterkoeler, is het hetzelfde als sintermachine warmteherwinning. Vanwege gastemperatuurverdeling langs de koeler, is warmteherwinning beperkt tot hoge gastemperatuurzone.

Sintermachine uitlaatgas warmteherwinning kan gecategoriseerd worden in circulatie type en non-circulatie type. In circulatie type, wordt gas na warmteherwinning gecirculeerd naar sintermachine als afkoelgasvervanging, terwijl in non-circulatie type, het gas na warmteherwinning geleid wordt naar gasbehandelingsfaciliteit direct. Circulatie type wordt geadopteerd om warmteherwingsefficiëntie te verbeteren.

In het geval van koeler warmteherwinning, is het koelergas lucht. Het koeler warmteherwinningsysteem kan gecategoriseerd worden als circulatie type en non-circulatie type. In het geval van non-circulatie type, na warmteherwinning van hete gaszone, wordt afkoelgas aan de atmosfeer vrijgegeven. In het geval van circulatie type, na warmteherwinning van hete gaszone, wordt afkoelgas naar koeler geleid en hergebruikt voor sinterafkoeling. Koeler gastemperatuur stijgt door recirculatie en resulteert consequent in hogere warmteherwinning. Aan de andere kant, stijgt koeler gastemperatuur tot het niveau van 180 °C, kan afkoelcapaciteit afnemen. Sintertemperatuur aan uitlaat van de koeler is hoger ongeveer 30 °C in circulatie type. Temperatuurverschil is klein genoeg en beïnvloedt sinterinstallatie operatie niet. Herwonnen energie neemt toe met 50% in circulatie type vergeleken met non-circulatie type. Ventilator vermogensverbruik is groter in het geval van circulatie type. Echter, herwonnen vermogen is ver groter.

Gietijzerproductie in HO

HO is een van de hoofdeenheden in ISP's. Het converteert ijzererts in gietijzer. Grondstoffen worden van boven geladen, met inbegrip van ijzerbevattende materialen (klonter ijzererts, sinter, of pellets), additieven (flux), en cokes, terwijl hete lucht en supplementaire brandstoffen geïnjiceerd worden door tuyères aan de bodem van de oven. De lading beweegt naar beneden door de HO en ontmoet een stijgende stroom van hete gassen. De hete lucht die de HO binnenkomt wordt geleverd door diverse hulp hete blastovens. In de hete blasthoven, wordt gemengd gas bestaande uit HO gas (HOG) en COG verbrand. De warmte van de verbrandingsuitlaatgassen wordt overgedragen aan een damwerk regenerator. Wanneer de regenerator een geschikte temperatuur bereikt, wordt de luchtstroom omgekeerd en koude lucht gedwongen door de regenerator, wat warmte overbrengt naar de koude lucht. De verwarmde lucht wordt dan in de oven geïnjiceerd. Het systeem werkt volgens dezelfde principes als een regenerator gebruikt voor warmteherwinning. Echter in dit geval, is de regenerator geen 'afvalwarmte' herwinningseenheid, maar eerder het mechanisme voor het overbrengen van warmte van de hoven naar de hete blast. Bronnen van afvalgas afvalwarmte in HO omvatten zowel de uitlaatgassen van de hete blasthoven als het HOG dat de HO verlaat.

Er is zinnelijk warmteverlies van HOG. Nieuwe HO's zijn ontworpen voor efficiënte warmteoverdracht, resulterend in hete gassen aan de HO top in het lage temperatuurbereik. De HOG wordt herwonnen voor gebruik als brandstof in blast luchtverarming, walserij herverwarmingsovens, cokesoven verarming, stroomproductie, en stoomgeneratie. Aangezien HOG een lage calorische waarde heeft, wordt het vaak gemengd met COG of convertergas. HOG moet gereinigd worden voordat het als brandstof gebruikt kan worden, en de zinnelijke warmte in het gas wordt zelden herwonnen. In sommige gevallen, werkt HO op een voldoende hoge druk (2,5 atm of hoger) om economisch een top druk herwinningsturbine (TRT) te gebruiken voor het herwinnen van de 'drukenergie' van de HOG. Het gas moet gereinigd worden voordat het de TRT binnenkomt, wat over het algemeen bereikt wordt via natte reiniging, met als resultaat dat de zinnelijke warmte van het afvalgas verloren gaat. Een alternatief voor natte reinigingstechnologie is droge reiniging, waarin de temperatuur van het gas dat de TRT binnenkomt kan worden verhoogd tot ongeveer 120 °C. Droge type TRT technologie werkt al in diverse plaatsen. Echter, het is duurder.

Een andere kans voor AWH is van de verbrandingsuitlaatgassen die de hete blastovens verlaten. De gassen zijn bij temperaturen van ongeveer 250 °C. De blasthof uitlaatgas is relatief schoon en meer compatibel met warmteherwinningsapparaten, wat warmteherwinning van blastovens een meer gangbare praktijk maakt. De warmte kan gebruikt worden om verbrandingslucht en/of brandstofgas voor te verwarmen. Warmtewisselaars gebruikt omvatten rotatie regeneratoren, vaste plaat warmtewisselaars, en circulatie thermisch medium systemen.

Productie van vloeibaar staal in BZO

BZO gebruikt zuurstof om onzuiverheden in het gietijzer te oxideren. Operatie is semi-continu: gietijzer en schroot worden geladen in de oven, zuurstof wordt geïnjiceerd, fluxes worden toegevoegd om erosie te controleren, en dan wordt het metaal bemonsterd en getapt. De temperatuur vereist om het metaal te smelten wordt geleverd door de exothermische oxidatiereactie en dus is geen externe warmtebron nodig.

De afgassen van de BZO zijn bij een hoge temperatuur. Het heeft een hoge concentratie CO (koolstofmonoxide). Net als COG en HOG, bieden BZO gassen kansen voor herwinning van chemische energie en zinnelijke warmte. Uitdagingen voor AWH omvatten hoge kapitaalkosten en de substantiële onderhoudsproblemen voortvloeiend uit hete vuile gassen. Verontreinigingen omvatten ijzeroxiden, zware metalen, SOx, NOx, en fluoriden.

Diverse commerciële methoden voor AWH zijn beschikbaar. De twee hoofmethoden voor warmteherwinning zijn 'open verbranding' en 'onderdrukte verbranding'. In open verbrandingssystemen, wordt lucht geïntroduceerd in de BZO gaskanaal om de CO te verbranden. De gegenereerde warmte wordt herwonnen met een afvalwarmteketel. In de 'onderdrukte verbranding' methode, wordt een rok aan de convertermond toegevoegd om luchtinfiltratie en verbranding van de CO te verminderen. Het gas wordt dan gereinigd, verzameld, en gebruikt als brandstof. Het is ook mogelijk om zowel het gas als de zinnelijke warmte te herwinnen via een gecombineerde ketel/onderdrukte verbranding gasherwinningsysteem.

Vloeibaar staalproductie door EBO

De staalindustrie heeft significante groei meegemaakt in fabricage van gerecycled schroot via elektrisch smelten. EBO en inductieoven zijn de twee typen ovens gebruikt om ferros schroot te smelten voor elektrisch smelten. Van deze twee, is EBO de prominente oven. De oven is refraktair uitgekleed en typisch bedekt door een ingetrokken dak, door welke C elektroden worden gelowerd. Laadmaterialen worden door het dak gelowerd. Fluxen en legeringsmiddelen worden ook toegevoegd om de kwaliteit van het materiaal te controleren. De elektroden worden dan gelowerd tot ongeveer een inch boven het metaal, en de stroom levert warmte voor het smelten van het schroot. Tijdens ovenoperatie, worden diverse gassen en deeltjesemissies vrijgegeven, met inbegrip van CO, SOx, NOx, metaaloxiden, vluchtige organische verbindingen (VOCs), en andere verontreinigingen. Afgastemperaturen bij piekbelasting kunnen variëren van 1.350 °C tot 1.950 °C. Uitlaatgassen zijn verantwoordelijk voor verliezen van ongeveer 20% van de vermogensinvoer. De helft van deze verliezen is door de chemische energie in de gassen, terwijl de andere helft zinnelijke warmte is. Bovendien is ongeveer 8% tot 10% van de energie-invoer ook verloren aan EBO afkoelwater 'mantel'.

De meest voorkomende methode voor warmteherwinning is schroot voorverarming, wat wijd gebruikt is. Het gebruik van afgassen om schroot voor te verwarmen kan 5% tot 10% van het totale EBO energieverbruik besparen. Initiële ontwerpen voor schroot voorverarming vereisten piping van afgassen naar de laadbak. Enkele van de uitdagingen met deze systemen omvatten de noodzaak om voorverhit schroot te transporteren dat semi-verbrande non-schroot materialen bevat (bijv. kunststoffen), alsmede de verdamping van vluchtige stoffen die geur en milieucontroleproblemen creëren. Alternatieven voor het bak voorverarmingssysteem omvatten het Consteel proces, de Fuchs schachthoven, en de Twin shell oven. Deze processen zijn op diverse plaatsen geïnstalleerd.

Het Consteel proces omvat continue lading van schroot en gebruikt een schroottransportband, een voedingssysteem, en een voorverhitter. De voorverhitter is een refraktair uitgeklede tunnel waar afgassen tegenover de stroom van de schrootlading vloeien. Lucht wordt geïntroduceerd in de voorverhitter om de CO en CO2 te verbranden en dus zowel de chemische als zinnelijke warmte in het afgas wordt gebruikt. Een nabranders wordt soms geïnstalleerd om overgebleven CO en andere verbindingen te verbranden. De Fuchs schachthoven omvat een schacht direct boven het boogovendak. De lading wordt via manden in drie stadia geladen. De manden zijn refraktair uitgekleed en ontworpen met een afdichting wat de ontweking van rookgassen voorkomt. Schrootverarming wordt verder bijgestaan door hulp oxy-brandstof burners. Bovendien worden nabranders geïnstalleerd om alle CO volledig te verbranden. Een additioneel voordeel van het systeem is dat de lading fungeert als stoffilter, wat ongeveer 40% van de stof vangt en terugkeert naar de oven, wat lichte toename in opbrengst mogelijk maakt.

De voordelen en nadelen van schroot voorverarmingssystemen hangen af van de specifieke operatie. In sommige gevallen, stelt het verminderde elektriciteitsverbruik en verhoogde productiviteit in. In andere gevallen, zijn schroot voorverarmingssystemen moeilijk te onderhouden. Naarmate EBO's steeds efficiënter worden en tap-naar-tap tijden verminderen, kan schroothantering productiviteit verminderen en mogelijk lastige onderhoudseisen creëren. In één geval, worden de energiebesparingen die door schroot voorverarming mogelijk gemaakt worden, met ongeveer de helft verminderd wanneer tap-naar-tap tijden met een derde verminderd worden.

Centrale ketels

Ketels in ISP's gebruiken normaal HOG en COG als brandstof. De uitlaatgastemperatuur voor de ketels varieert met de ketelleeftijd en de gebruikte controles. Temperaturen kunnen redelijk hoog zijn (340 °C tot 450 °C), met O2 inhoud variërend van 3%–7,5%. De afvalwarmte is in de vorm van schone, contaminatie-vrije gassen en vereist geen verdere conditionering. De gebieden van afvalwarmte en herwinning van ketels en stoomsystemen omvatten: (i) gebruik van uitlaatgassen om HOG en COG voor te verwarmen, (ii) gebruik van lage-temperatuur stroomopwekking als economisch gerechtvaardigd, (iii) voorverwarmen van dienstwater of rivierwater voor gebruik in de fabriek, indien mogelijk en vereist, en lage-druk stoom kan gecondenseerd en hergebruikt worden voor het ketelwatersysteem in plaats van af te voeren.

Herverwarmingsoven

Herverwarmingsoven is een sleutelapparatuur van de warmwalserijen. De functie is om continu biljets, platen of bloemen van verschillende formaten en graden op te warmen tot 1.250 °C. De meeste nieuwe herverwarmingsovens zijn 'loopbalk ovens' (LBO). Op de LBO, wordt de verwarming gedaan boven en onder de producten die van laadkant naar loskant afgehandeld worden door middel van geïsoleerde en gekoelde balken (skids). Een belangrijke prestatiecriterium voor herverwarmingsovens is verwarmingshomogeniteit. 20% tot 30% van de energie-invoer wordt typisch verspild verdeeld over diverse thermische verliezen namelijk: (i) de temperatuur van het uitlaatgas tussen de verbrandingslucht recuperator en de schoorsteen is 250 °C tot 300 °C met aardgas brandstof en hoger met lagere calorische waarde brandstof, (ii) de productafhandelingssystemen binnen de oven met skids en na-afkoelingssysteem, en (iii) wand en deur verliezen, nauwelijks herwinbaar.

Water wordt gebruikt om het skidsysteem constant te koelen wat in contact is met een erg hete atmosfeer in de oven. Deze waterlus komt typisch binnen op 40 °C en wordt verhit met 15 °C voordat het naar een toegewijde koelsysteem geleid wordt.

Op diverse plaatsen wordt AWH uitgevoerd op het skid koelsysteem door stoom te produceren wanneer het in de fabriek nodig is voor andere doeleinden. Op zich redert deze installatie verliezen door het skidsysteem door het gebruik van waterkoelpijpen gebruikt bij hogere temperatuur. Als stoom niet nodig is door de fabriek, dan kan een ORC (aangepast voor dergelijke temperaturen rond 200 °C) op de stoomcircuit geïnstalleerd worden om elektriciteit te produceren. Deze installatie heeft het voordeel van gemakkelijk en veilig bedienbaar met name met hoge variabiliteit van de verliezen door de constante temperatuur gebracht door de waterfasenverandering. Meestal wordt deze technologie niet geïnstalleerd vanwege lange terugverdientijd, en de energie in uitlaatgassen wordt verspild.

Een stroomproductiesysteem is mogelijk om energie van uitlaatgassen te herwinnen. Afhankelijk van de warmtebrontemperatuur, is of een 'water-stoom cyclus' (met lage efficiëntie oven) of een ORC (met betere efficiëntie) beschikbaar. Echter, de meeste tijd worden die technologieën niet geïnstalleerd vanwege hun lange terugverdientijd. Deze situatie kan een andere oplossing hebben. Deze oplossing combineert warmte van de skid koellus geopereerd bij hogere druk en temperatuur om een mengsel van stoom en water van ongeveer 215 °C in een gesloten lus te produceren en warmte van uitlaatgassen. De twee warmtebronnen worden apart herwonnen dankzij organische warmtevloeistof lussen en dan gecombineerd om een gemeenschappelijke warmtebron te vormen.

De warmtefluctuaties van de uitlaatgassen (temperatuur en volume zijn gewijzigd) in het geval van ovenvermogen variaties (productie of productvariaties) worden gebalanceerd door de constante temperatuur van de warmte komende van het skid koelsysteem. Dus de werking van het systeem is makkelijk en maakt de globale warmtebron stabieler met name met hoge fluctuaties.

Het is mogelijk dat de herverwarmingsovenproductie in enkele minuten kan fluctueren, wat de warmte-inhoud van uitlaatgassen die het AWH systeem binnengaan beïnvloedt. De ORC is een tamelijk flexibel systeem dat dergelijke variaties tot een zeker punt kan accommoderen. Een ORC kan typisch werken tot 30% van zijn nominale capaciteit, en schakelt automatisch uit wanneer de warmteinvoer onder die drempel gaat. Echter, het economische aspect is beïnvloed omdat de stroomproductie ook afneemt.

Warmteopslagoplossingen die aangepast kunnen worden aan dagelijkse variaties worden beschikbaar voor industriële toepassingen en kunnen in combinatie met een ORC gebruikt worden om de productie te gladstrijken. Olie is, bijvoorbeeld, een geschikt warmteopslagmedium op dat temperatuurniveau. Economische voordelen moeten per geval beoordeeld worden.

Afvalwarmte van vaste stoffenstromen

Naast afvalwarmteverliezen van afgassen, zijn vaste stoffenstromen en afkoelwater bronnen van additionele zinnelijke warmteverliezen. Vaste producten en bijproducten met significante afvalwarmteverliezen omvatten hete cokes, hete sinter, HO slak, BZO slak, gegoten staal, en warmgewalst staal. Hoewel de warmte van vaste stoffenstromen vaak moeilijker te herwinnen is, zijn de warmteverliezen hoog. Het zinnelijke warmteverlies van cokes wordt in sommige installaties cokes droog verharding (CDQ) herwonnen als alternatief voor natte verharding. CDQ omvat het vangen van gloeiende cokes in een speciaal ontworpen emmer, wat in het CDQ schip gelost wordt. Een inert gas zoals stikstof passeert over de cokes en herwint de zinnelijke warmte. Het hete gas wordt vervolgens door een afvalwarmteketel geleid. Energiebesparing is in het bereik van 0,2 miljoen tot 0,25 miljoen kcal per ton cokes. Er zijn ook pogingen gedaan om warmte van andere vaste stromen via stralingswarmteketels te herwinnen. Dit was onsuccesvol voor HO en BZO slak, maar is gecommercialiseerd voor het herwinnen van warmte van gegoten staal in een paar locaties in Japan en Duitsland.

Een andere optie voor het verminderen van warmteverliezen van gegoten staal is hete lading, waarbij gegoten producten geladen worden in de herverwarmingsoven terwijl nog heet. Hete lading kan ongeveer 0,12 miljoen kcal per ton besparen. Zinnelijk warmteverlies van warmgewalst staal kan ook deels herwonnen worden door waterafkoeling te gebruiken. Aangezien de eindtemperatuur van het afkoelwater over het algemeen laag is (rond 80 °C), kan het geüpgraded worden voor andere verwarmingstoepassingen met een warmtepomp.