Redukcja zużycia energii przez piece przemysłowe wykorzystywane w obróbce cieplnej i przemyśle odlewniczym.
Wiele procesów przemysłowych opiera się na technologiach wykorzystujących piece. Różnica pomiędzy piecem przemysłowym a zwykłym jest w przybliżeniu taka, jak różnica pomiędzy zakładem przemysłowym a zakładem produkcyjnym. Wszystkie piece są nagrzewane po zamknięciu i odizolowaniu od otoczenia, co jest funkcją procesu technologicznego. Piece pracują w temperaturze od 426oC do 530oC, natomiast dla pieców technologicznych temperatura pracy jest znacznie wyższa. Piece wykorzystywane są w metalurgicznej obróbce cieplnej, tworzeniu form odlewniczych, obróbce warstwy powierzchniowej, dostarczaniu ciepła do procesów petrochemicznych, a także do wielu innych procesów.
Piece przenośnikowe mają duży potencjał oszczędnościowy
W dzisiejszych czasach zainteresowanie metalurgii i przemysłu odlewniczego dotyczy głównie pieców przenośnikowych zasilanych gazem ziemnym. Te piece wykorzystują izolowane zabudowy z drzwiami i mechanicznym systemem przemieszczania produktów przez obszar podgrzewania. Zabudowa jest izolowana za pomocą cegły ogniotrwałej lub włókna ceramicznego. Często izolacja jest kombinacją tych dwóch materiałów, przy czym włókno ceramiczne jest zazwyczaj wykorzystywane do pokrycia ścian pieca.
Piece mają wiele palników, które mogą ogrzewać powietrze zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio za pomocą sieci promieniście rozłożonych rur. Coraz częściej piece są wyposażone w bardzo wyrafinowany system, który umożliwia kontrolę temperatury, procesów, a także zwiększenie bezpieczeństwa poprzez wykrywanie płomieni i stabilizację temperatury.
Różne metody transportu technologicznego
Piece przepychowe do procesów odlewniczych lub obróbki termicznej wykorzystują wieszaki lub koszyki do transportu technologicznego w obszarze obróbki. Pozostałe piece przepychowe stosują rolki lub rotacyjne łoża, które umożliwiają osiągnięcie tego samego celu. Aby usprawnić/wymienić stary piec w celu zwiększenia wydajności energetycznej, a także przyspieszyć wykonywanie określonego procesu, wykorzystuje się różne podejścia.
Firma Armil CFS projektuje, produkuje, instaluje i naprawia piece technologiczne, piece do wypalania i standardowe piece od ponad 40 lat. Produkuje piece przepychowe do odlewania metodą traconego wosku, obrotowe piece trzonowe, piece komorowe i wiele innych konstrukcji. Firma mocno podkreśla umiejętność projektowania różnych pieców, a także wykorzystuje doświadczenie w celu maksymalizacji wydajności operacyjnej.
Rekuperacja ciepła dla pieców znacznie redukuje zużycie energii
Posiadacze pieców uzyskują znaczne oszczędności energii dzięki wykorzystaniu rekuperacji. Dla przykładu, w piecu przepychowym polega to na odciągnięciu znacznej ilości ciepła z układu odlotowego spalin, a także z płynów chłodzących, w celu wstępnego podgrzania nowego wsadu lub powietrza do spalania. W przypadku procesu tworzenia formy odlewniczej za pomocą odlewania metodą traconego wosku, formy podlegają wytapianiu w piecu przepychowym, a utracony wosk stanowi część lub całość paliwa. Krowl dodaje również, że rekuperacja może zapewnić redukcję kosztów energii nawet o 40% dla pieca pracującego przy temperaturze 1100oC z 6-proc. udziałem powietrza. To ma również wpływ na mniejszą ilość spalin, która wynika z mniejszego zużycia paliwa.
Wiele pieców najnowszej konstrukcji wyposażono w możliwość rekuperacji. Każdy piec może mieć dodaną rekuperację, a jedynym warunkiem jest posiadanie odpowiedniej przestrzeni w obszarze produkcyjnym. Wymiary rekuperatora krzyżowego to jedynie ok. 60 x 60 x 120 cm, jednak rury przesyłające gorące powietrze do spalania muszą być doprowadzone do każdego palnika.
Zwiększanie przepustowości w celu zmniejszenia kosztów jednostkowych zużycia energii
Wybór innych typów pieców może również być dobrym rozwiązaniem, ponieważ zapewniają one zwiększenie wolumenu produkcji. Piece trzonowe obrotowe lub rolkowe, które są stosowane głównie w przemyśle metalurgicznym, wcale nie są bardziej oszczędne w porównaniu do pieców nieprzelotowych. Jednakże piece przelotowe mają kilka zalet, do których zaliczamy ograniczenie kosztów związanych z transportem i przeładunkiem materiałów, a także wymagań dotyczących pracy. Dlatego mogą przetwarzać więcej produktów w określonym czasie, a także są bardziej wydajne energetycznie w przeliczeniu na produkt bazowy.
Rus Chapman z Firebridge – firmy zajmującej się konstrukcją pieców i ich projektowaniem – potwierdza, że wykorzystując rekuperację w konkretnych procesach, można uzyskać potencjalne oszczędności. Stwierdza on również, że rekuperatory działają, gdy temperatura gazu jest niższa niż 982oC, chociaż firma pracuje na konstrukcjach, w których temperatura gazu sięga 1200 oC. Chapman zaznacza również, że potencjalne oszczędności zależą od temperatury operacyjnej pieca. – Generalnie wydajność rekuperatorów sięga 50%, co oznacza, że około połowa ciepła usuwanego z pieca jest odzyskiwana. To daje 20% wydajności dla pieca pracującego w temperaturze 650oC i około 40% dla pieca pracującego w temperaturze 982oC.
Wyższe temperatury mają większy potencjał
Chapman dodaje, że jeżeli wykorzystuje się mniejsze ilości paliwa, emituje się mniej CO2, ale dla każdych dwóch stopni podgrzewanego wstępnie powietrza do procesu spalania, o jeden stopień wzrasta temperatura płomienia, a z kolei taki płomień generuje więcej NOx. Na szczęście, odkąd całkowita wartość emisji spalin jest obniżona, wartość NOx również ma mniejszą wartość całkowitą, więc ogólnie wszystkie wartości spalin zostają obniżone.
Chapman uważa, że idea dołączania rekuperacji do posiadanych pieców jest dobrze przyjmowana, jednak wiąże się z pewnymi kosztami. – Sterowniki odpowiadające za proporcje podawanego do palników paliwa muszą być odpowiednio zmodyfikowane w celu kompensacji zmian zawartości tlenu w powietrzu. Przewody wentylacyjne również powinny być izolowane. Często sama konfiguracja, rozmiary palników i wydechu spalin odlotowych sprawiają, że jest to zbyt drogie rozwiązanie. Jakkolwiek wystarczająco duża i gorąca jednostka jest bardzo dobrą alternatywą dla zastosowania rekuperacji. W przypadku gdy adaptacja rekuperacji jest możliwa, koszt zwrotu z inwestycji to około 18–36 miesięcy.
Redukcja strat energii za pomocą izolacji
Chapman wskazuje, że w dostępnych na rynku nowych piecach wydajność można zwiększyć za pomocą lepszej izolacji i zastosowania wytrzymalszych materiałów. – Obecnie mamy dostępną izolację wykonaną z włókien, która cechuje się kurczliwością na poziomie mniejszym niż 1% w temperaturze 1370oC. Wytrzymuje ona znacznie dłuższy okres, a także lepiej izoluje (w porównaniu do starszych produktów). Obecnie dostępne są wytrzymałe materiały, które zapewniają wydłużony cykl życia i lepszą wartość izolacyjną na cal wykonanej izolacji.
Chapman wyjaśnia również, że palniki mają możliwość regeneracji, co ma miejsce przy wyższych temperaturach i prowadzi do zwiększenia wydajności pieców. – Często wielkie zyski zapewnia samo spojrzenie na cały proces i integrację źródeł ciepła z urządzeniami pochłaniającymi ciepło gdzie indziej, w procesie lub zakładzie. Ponadto wielkie piece wsadowe obróbki cieplnej są tak projektowane, że skróceniu ulega cykl pracy, temperatura wykazuje większą stabilność, staje się możliwe uzyskanie około 30-proc. oszczędności energii dla temperatur homogenizacji i 40-proc. dla temperatur hartowania.
Obecnie najbardziej istotne jest odpowiednie zarządzanie temperaturą pieca. W niektórych aplikacjach przemysłowych nie ma potrzeby, aby utrzymywać wysoką temperaturę dla całego cyklu. Temperatury mogą czasami być obniżone bez wpływu na czas danego procesu. Obecnie wyrafinowane sterowniki palników i czujniki temperatury umożliwiają optymalizację temperatury pieca dla całego procesu.
Inicjatywa w poszukiwaniu oszczędności
Dodatkowe informacje dotyczące usprawniania i zwiększania wydajności pieców można znaleźć na stronach producentów pieców. Wiele obecnie użytkowanych pieców przemysłowych nie było ostatnio usprawnianych – dlatego pracują one poniżej swoich optymalnych parametrów wydajności. Jednak dzięki profesjonalnemu spojrzeniu fachowca i zaproponowaniu rozwiązania polegającego na usprawnieniu lub wymianie pieca na nowy można zapewnić dodatkowe korzyści zarówno dla procesu, jak i całego zakładu.
