Efektywność energetyczna procesu topienia aluminium w gazowych tyglowych piecach odlewniczych

Efektywność energetyczna procesu topienia aluminium w gazowych tyglowych piecach odlewniczych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

W 2005 roku w jednej z polskich odlewni stopów aluminium, w trakcie modernizacji pomocniczych palników małej mocy, z inspiracji i pod nadzorem autora artykułu wyposażono piece tyglowe w systemy odzyskiwania ciepła spalin.

Streszczenie

Z uwagi na wysoką temperaturę spalin, do podgrzewania powietrza zastosowano stalowy wymiennik ciepła - rekuperator żeberkowy, odzyskując w ten sposób średnio 24,2 % energii pierwotnej.

Rekuperacja i modernizacja palników pomocniczych pozwoliła w następnym 2006 roku na zwiększenie produkcji o 54% bez zwiększenia zużyciu gazu.

Posługując się postanowieniami Ustawy 551 z dnia 15 kwietnia 2011 o efektywności energetycznej, implementującej do polskiego prawa Dyrektywę 2006/32/WE, przeprowadzono analizę wpływu modernizacji procesów cieplnych na potencjał efektywności energetycznej i zwiększenie oszczędności energii pierwotnej wyrażonej w m3 oraz tonach oleju ekwiwalentnego.

Wstęp

W procesach odlewniczych metali nieżelaznych i przetwórstwa żelaza i stali tkwią niebagatelne rezerwy energii. Z uwagi na charakter procesów cieplnych, spaliny opuszczające paleniska mają wysoką temperaturę. Ponieważ entalpia spalin jest bardzo duża, znaczne są straty energii cieplnej unoszonej przez spaliny do otoczenia. Ciepło to odzyskiwane jest sporadycznie. Ponadto, proces spalania zazwyczaj prowadzony jest niestarannie z bardzo wysokim współczynnikiem nadmiaru powie-trza "λ" co skutkuje niską temperaturą spalania.

Wprowadzenie

Na terenie naszego kraju nadal pracuje wiele palników, których konstrukcja pochodzi z "zamierzchłych" czasów, gdy powszechnie używany był gaz koksowniczy. Gaz ten, charakteryzuje się znacznie większą niż gaz ziemny "E" (dawniej GZ50) szybkością spalania. Proces spalania nie wymagał wstępnej iniekcji powietrza, bowiem pobierane ono było w wystarczającej ilości z otoczenia na zasadzie dyfuzji. Urządzenie spalania o takich cechach konstrukcyjnych nazywane jest palnikiem dyfuzyjnym1.

Powszechne wprowadzenie gazu ziemnego wymagało "przestawienia" palników. Niestety tych zabiegów nie wykonano w większości zakładów przemysłowych i do dzisiaj, stosuje się palniki dyfuzyjne, a co gorsza zasila się je sprężonym powietrzem. Generuje to fatalne skutki w zakresie procesu spalania. Sprawność konwersji takiego palnika jest znikoma, starty niecałkowitego spalania ogromne a emisja trującego CO przekracza wielkości mierzalne przez większość analizatorów spalin 2000 ppm.

Z tych to powodów (wysoka temperatura spalin, duże rozcieńczenie substratów, nie-odpowiednie palniki), prawie wszystkie firmy odlewnicze i stalownicze mają jeszcze duży, łatwy do wykorzystania, potencjał w zakresie oszczędności energii. Rezerwy te, bez zastosowania wyrafinowanych technologii, często przy zdekapitalizowanych palnikach i systemach paliwowo powietrznych pozwalają na zmniejszenie zużycia gazu nawet o 20%.

Było to już możliwe do sprawdzenia podczas spełnienia postanowień Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 30 października 2002 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy w zakresie użytkowania maszyn przez pracowników podczas pracy.

Straty energii cieplnej w procesie topienia i odlewania

W trakcie oceny urządzeń i procesów cieplnych pod względem ich zgodności z wymogami dyrektywy maszynowej a w szczególności PN-EN 746-2 URZĄDZENIA PRZEMYSŁOWE DO PROCESÓW CIEPLNYCH "Wymagania dotyczące bezpieczeństwa procesów spalania i układów paliwowych", normy zharmonizowanej z w/w dyrektywą, w szczególności analizy spalin - strat kominowych, strat niecałkowitego spalania, a także strat promieniowania płaszcza urządzeń zauważyłem, że wiele z nich przypomina sito (cedzak), przez którego otwory w sposób całkowicie niekontrolowany uciekają ogromne ilości energii cieplnej i prawdopodobnie są one większe od energii użytecznej.

O rodzaju strat a zwłaszcza o ich wielkości nie było wystarczającej wiedzy. Wiadomym było tylko, że zużycie gazu jest bardzo duże, ale na temat ilości energii, jaka jest tracona, nikt się nie wypowiadał z powodu braku wiedzy w tym zakresie.

Po szybkim i ale rzetelnie sporządzonym bilansie kilku pieców wyliczono, że energia użyteczna to tylko 18-21%. Resztę, czyli 80% stanowiły straty, w tym głównie komi-nowe - wylotowe. Dużym ułatwieniem w badaniach, dodatnio wpływającym na dokładność pomiarów strumieni ciepła, był ciągły charakter pracy pieców, 24 godzinny, również w soboty i niedziele.

Największą trudnością - uciążliwością był pomiar mocy palników. Ścieżki gazowe nie były wyposażone w liczniki strumienia spalanego gazu.

Strumień energii odzyskanej w procesie rekuperacji spalin.

W tej samej odlewni, badanej przez Autora, pracowało 8 pieców. Konstrukcja palników, umożliwiała zasilanie ich powietrzem spalania o temperaturze +450oC i współpracę z systemem odzyskania ciepła spalin.

Dzięki zrozumieniu wagi zagadnienia przez kilka osób uzyskano zgodę na budowę pilotażowego systemu odzyskania ciepła spalin. Cechy konstrukcyjne rekuperatora obliczono i dobrano przy założeniu 20% odzysku ciepła spalin.

Późniejsze pomiary, wszystkich 8 pieców wyposażonych w systemy rekuperacji spa-lin wykazały, że w zależności od stanu technicznego pieca, regulacji palnika, układu odprowadzenia spalin, odzyskuje się 20-27% ciepła spalin, średnio 24,2%.

O taką wielkość można, więc było praktycznie zmniejszyć moc palników bez konieczności zmniejszenia strumienia topionego aluminium.

Uzyskana w piecu "C" wysoka oszczędność energii - 44% nie była wynikiem unikalnego rozwiązania technicznego, lecz usunięciem popełnionych przez producenta pieca kilku błędów, w tym zastosowanie do współpracy z piecem automatycznego palnika z wymuszonym nadmuchem PN-EN 676. Palnik taki, odpowiedni dla kotłów wodnych i parowych, z uwagi na blokową konstrukcję, nie może być zasilany gorącym powietrzem z rekuperatora, dlatego został wymieniony na palnik przemysłowy.

Jak wspomniano, osiągnięte oszczędności energii stwarzały możliwość zmniejszenia mocy każdego z palników. Jednak z uwagi na ówczesne zapotrzebowanie rynku na odlewy, dzięki zwiększonej sprawności energetycznej pieców, znacznie zwiększono produkcję przy prawie niezwiększonym zużyciu energii pierwotnej - gazu.

Energia odzyskana w procesie modernizacji palników pomocniczych.

W wyniku prowadzonej równolegle optymalizacji charakterystyk konstrukcyjnych pomocniczych palników do:
  • podgrzewania form odlewniczych także przed malowaniem (pastowaniem),

  • podgrzewania mis zalewowych, rdzeni i łyżek automatów zwiększono w następnym 2006 r. średnią miesięczną produkcję odlewów z 519 908 kg do 821 438 kg tj o 58% przy prawie niezmienionym zużyciu gazu (+2%).


Zbiegiem okoliczności wszelkie przedsięwzięcia prooszczędnościowe zakończono w roku 2005, w którym po ponad 7 latach od podpisania weszły w życie regulacje wynikające z protokołu z Kioto.

Słynna Dyrektywa 2006/32/WE w sprawie optymalnego wykorzystania energii została ustanowiona w dniu 5 kwietnia 2006 r. wtedy, gdy w badanym zakładzie monitorowano już korzyści związane ze zwiększeniem efektywności energetycznej procesu odlewania.

Zgodnie z Ustawą 551 z dnia 15 kwietnia 2011 implementującą do polskiego prawa wspomnianą wyżej dyrektywę, art 3. poz. 1. efektywność energetyczna jest to stosu-nek uzyskanej wielkości efektu użytkowego do ilości zużycia energii pierwotnej przez ten efekt. Wyrażony w procentach wzrost efektywności energetycznej można określić, jako iloraz tych określeń matematycznych (wzór 1).

Efektywność energetyczna systemu odlewniczego zakładu dzięki zabiegom modernizacyjnym zwiększyła się o 54%.

W efekcie działań modernizacyjnych zmniejszyło się o 35,1% zużycie gazu na 1 kg wytopionego stopu aluminium.

Zmniejszyła się również z 2,35 kWh do 1,52kWh (35,1%) energochłonność procesu wytworzenia 1kg stopu aluminium.

Inne korzyści uzyskane w procesie rekuperacji

- Poprawa komfortu pracy obsługi pieca.

Likwidacja wydobywających się gorących spalin z przestrzeni pomiędzy tyglem a ścianami komory spalania (gardzieli pieca) i skierowanie ich do przewodu kominowego, umożliwia załadunek tygla bez konieczności wyłączenia palnika a to łączy się z likwidacją przerw.

- Likwidacja przerw w pracy palnika

Przerwy w pracy palnika wbrew pozorom są źródłem wymiernych strat energii a nie oszczędność. Przed ponownym zapaleniem palnika, piec jest intensywnie chłodzony w procesie przedmuchiwania komory spalania. Proces przedmuchiwania paleniska, to wymóg obligatoryjny wynikający z PN-EN 746-2.

- Poprawa komfortu pracy załogi w związku ze zmniejszeniem emisji hałasu.

Ujęcie spalin w przewód i wyprowadzenie ich do komina rozwiązuje problem prze-kroczenia poziomu hałasu przez gardziel pieca tyglowego.

Zamknięcie gardzieli pieca i skierowanie strumienia spalin do przewodu kominowego zmniejszyło natężenie fali akustycznej z 87 dB do 85 dB/A co przedkłada się na zmniejszenie ciśnienia akustycznego 1,26 razy tj. poniżej promieniowania tła. W systemie rekuperacji strumień spalin wielokrotnie zmienia kierunek. Rekuperator i system odprowadzania spalin działa jak tłumik

Możliwe do uzyskania dalsze oszczędności w odlewni zakładu
  • odzysk ciepła ze spalin wylotowych, których temperatura wynosi nawet kilkaset stopni Celsjusza.

  • zmiana lokalizacji czerpni powietrza do palników i wentylatorów

  • zwiększenie efektywności procesu cieplnego (sprawności konwersji) za pomocą urządzenia do monitorowania składu substratów spalania mieszanki gaz - powietrze.
Zestawienie wniosków w świetle ustawy o efektywności energetycznej.

1. W konkretnych warunkach polskiego zakładu odlewniczego efektywność energetyczna systemu odlewniczego zwiększyła się o 54% co potwierdza, przytaczane w literaturze i czasopismach fachowych informację o dużym krajowym potencjale w zakresie oszczędności energii. Rezerwy te, bez zastosowania wyrafinowanych technologii np. regeneracja ciepła, pozwalają na zmniejszenie zużycia gazu nawet o 30%.
2. Efektywność energetyczna naszych zakładów także odlewniczych i stalowniczych jest prawie trzykrotnie niższa niż na terenie UE, gdzie walczy się już o pojedyncze procenty.
3. Dostęp do nowoczesnych technologii, pozwala na szybką poprawę efektywności energetycznej, ale w wielu przedsiębiorstwach zużycie energii znajduje się poza obszarem zainteresowania kierownictwa.
4. Podstawą wzrostu efektywności energetycznej jest świadomość możliwych do uzyskania oszczędności przez kadrę techniczną i menedżerską.
5. Odzysk ciepła spalin jest jednym z najbardziej wiarygodnych i efektywnych działań prowadzących do zwiększenia efektywności energetycznej. Jak wiadomo oszczędności pozyskane tą drogą są niebagatelne. Z uwagi na korzyści ekonomiczne i ekologiczne układ odprowadzenia spalin z zastosowaniem rekuperacji powinien być wykonany w pierwszej kolejności i stanowić pierwszy etap przedsięwzięć zwiększających efektywność energetyczną zakładu.
6. Efektywność energetyczną zdefiniowaną w Art.3, pkt.1 ustawy 551 nie na-leży mylić ze sprawnością energetyczną.
7. Równolegle z przedsięwzięciami dotyczącymi pieców, kotłów i innych urządzeń cieplnych, prowadzić należy działania dotyczące organizacji pracy tych urządzeń, optymalizację mocy źródeł ciepła (palników), oraz zmianę miejsca i sposobu pobierania substratów spalania, odprowadzania spalin jak również okresowego monitorowania składu dostarczanego gazu.

Spis literatury

Stefanowski B., Jaśkiewicz J.: Podstawy Techniki Cieplnej. WNT 1968
Zieleniewski R., Kozakiewicz A.: Aparaty i Urządzenia Gazowe, Arkady 1981
Kowalski Cz.: Kotły Gazowe, WNT 1992
Petela R.: Paliwa i ich Spalanie, Pol. Śląska 1982
Senkara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie, Śląsk 1992
Cieślak J., Pachole Z.: Przygotowanie Odlewni EBCC Poland do spełnienia normy PN-EN 746 Modernizacja palników do podgrzewania kokil. Referat wygłoszony na Zjeździe Odlewników Kowalowa 22-23. 09. 2004
Przewodnik w zakresie najlepszych dostępnych technik (NDT) Wytyczne dla branży odlewniczej, Ministerstwo Środowiska, Wrzesień 2005
Dokument Referencyjny BAT dla najlepszych dostępnych technik w przetwórstwie żelaza i stali Część D, str. 464, Ministerstwo Środowiska

Przypisy

1. Nazewnictwo, oraz użyte definicje, jeśli nie występują w PN-EN 746-2 "Urządzenia przemysłowe do procesów cieplnych" Załączniki A, C zaczerpnięto z literatury akademickiej oraz przewodników BAT dla branży odlewniczej i przetwórstwa żelaza i stali.

SUPLEMENT do artykułu

"Efektywność energetyczna procesu topienia aluminium w gazowych tyglowych piecach odlewniczych" zamieszczonego w Przeglądzie Odlewnictwa 7-8/2012.

Z końcem miesiąca (27 sierpnia 2012 r.) opublikowano Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 10 sierpnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metod obliczania oszczędności energii.

Niefortunny termin opublikowania w/w Rozporządzenia uniemożliwił uzupełnienie w/w artykułu o kilka podstawowych parametrów, jakie winny być zamieszczane w "Karcie Audytu Efektywności Energetycznej".

Karta ta, załącznik nr 3 Rozporządzenia stanowi, że paramenty przedsięwzięcia służącego poprawie efektywności energetycznej winny być określone nie wskaźnikiem wzrostu efektywności energetycznej (ΔEE) jak to przedstawiono w artykule, lecz średnioroczną oszczędnością energii finalnej wyrażoną w jednostkach [GJ/rok] lub [kWh/rok], a także równoważną ilością ropy naftowej (oleju ekwiwalentnego) o wartości opałowej 41 868 kJ/kg - art.3 Ustawy z dnia 15 kwietnia 2011 o afektywności energetycznej (Dz.U. Nr 94, poz.551).

W Karcie Audytu winny być również podane szacunkowe wielkości rocznej redukcji emisji CO2, wyliczone na podstawie wskaźników emisji zawartych w rozporządzeniu Ministerstwa Środowiska z dnia 12 września 2008 Dz.U. 183, poz.1142.

Dla poprawnego wypełnienia "Karty" w/w przedsięwzięć modernizacyjnych zamieszczono poniżej dane, stanowiących uzupełnienie obliczeń zamieszczonych w artykule.
  • Ilość energii (pierwotnej) zawartej w gazie zużytym przez urządzenia techniczne - piece tyglowe przed zrealizowaniem modernizacji vg0=192 756 nm3

  • Ilość energii jw. zużytej po zrealizowaniu przedsięwzięcia służącego poprawie efektywności energetycznej (rekuperacja i optymalizacja procesów spalania) vg1=125 000 nm3
Średnioroczna oszczędność energii

Ilość zaoszczędzonego gazu ziemnego 813 073 [nm3/rok]

Równoważna ilość zaoszczędzonej energii 29 271 [GJ/rok]

Wielkości tej odpowiada 699 [toe/rok].

Szacowana wielkość redukcji emisji CO2

Wskaźnik emisji CO2 dla gazu ziemnego E (wg Tabeli nr 2 w załączniku nr 1 rozporządzenia Min. Środowiska z dnia 12 września 2008 Dz.U. 183, poz.1142) wynosi 56,1 [Mg/TJ] co przy 54% oszczędności energii - 29 271 [GJ/rok] skutkuje imponującym zmniejszeniem misji CO2 o 1 642 [ton/roku].

Wszystkie podane w publikacji parametry uzyskano na podstawie badań i pomiarów z wykorzystaniem specjalistycznego sprzętu a analizę i opracowanie wyników pomiarów wykonano w oparciu o wiedzę teoretyczną i fachową, przed i po dokonanej modernizacji procesów cieplnych. Dlatego w świetle Ustawy 551 i Rozporządzenia Poz. 962 można je zakwalifikować, jako parametry audytu powykonawczego.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Efektywność energetyczna procesu topienia aluminium w gazowych tyglowych piecach odlewniczych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!