Prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik

1. Prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik „Przegląd rozwojowych metod oszczędności energii w energetyce przemysłowej” Opracowanie wykonane na potrzeby projektu pt: „Zeroemisyjna gospodarka energią w warunkach zrównoważonego rozwoju Polski do 2050” 02.07.09 Charakterystyka krajowej energetyki przemysłowej Przemysł jest obok sektora bytowo-komunalnego głównym odbiorcą energii bezpośredniej. Na początku lat osiemdziesiątych udział przemysłu w zużyciu energii bezpośredniej wynosił ponad 50%. Aktualnie udział ten wynosi około 32%. W zużyciu energii bezpośredniej udział czterech przemysłów: hutnictwa żelaza i metali nieżelaznych, chemicznego, paliwowo-energetycznego i mineralnego jest dominujący

2. Hutnictwo żelaza Jak wspomniano na wstępie, krajowe hutnictwo żelaza należy do głównych konsumentów energii. W scenariuszach rozwoju gospodarczego Polski założono w porównaniu z okresem przed transformacją znaczny spadek udziału hutnictwa żelaza w krajowej produkcji przemysłowej (produkcja na poziomie 10 mln ton stali surowej). Jednak jego udział w zapotrzebowaniu krajowego przemysłu na energię bezpośrednią będzie dalej znaczny. W krajowym hutnictwie żelaza około 60% dostarczonej energii zużywają wydziały surowcowe (koksownie, spiekalnie i wielkie piece), przy czym ponad połowa tego zużycia przypada na wielkie piece. W nowoczesnej hucie żelaza pracującej według schematu wielkie piece – konwertory tlenowe, udział spiekalni i wielkich pieców w bezpośrednim zużyciu energii przekracza 75%.

3. Hutnictwo metali nieżelaznych Hutnictwo metali nieżelaznych dzieli się na część surowcową (produkcja miedzi, cynku, ołowiu i aluminium) oraz przetwórczą (przeróbka plastyczna, produkcja stopów i wyrobów z proszków metali). Największą wagę mają problemy cieplno-energetyczne w części surowcowej hutnictwa, głównie miedzi. Polska ze swoją produkcją miedzi około 580 000 t/rok wpływa na światowy rynek miedzi. W krajowych hutach miedzi stosowane są dwie technologie otrzymywania miedzi. Jedna polega na wytopie kamienia miedziowego w piecu szybowym, w drugiej zaś stosuje się proces zawiesinowy Outokumpu. W Polsce są stosowane dwie metody otrzymywania cynku: redukcja tlenków w piecu szybowym i metoda hydroelektrometalurgiczna. W procesie szybowym wsadem jest spiek cynkowo-ołowiowy a 80% energii dostarczonej stanowi energia chemiczna koksu. W drugiej metodzie dominuje zużycie energii elektrycznej (około 82% energii doprowadzonej). Aluminium pierwotne otrzymuje się w procesie elektrolizy tlenku glinowego rozpuszczonego w stopionym kriolicie w elektrolizerach. Około 80% energii zużywanej w procesie elektrolizy tlenku glinu stanowi energia elektryczna (12 MWh/t Al), pozostałą część energia chemiczna węgla anod. Radykalne obniżenie wskaźnika zużycia energii można osiągnąć na drodze modernizacji elektrolizerów z zastosowaniem anod spieczonych.

4. Koksownictwo Polska z produkcją koksu na poziomie około 9,7 mln t (2006) należy do czołówki europejskiej. Głównym odbiorcą koksu jest proces wielkopiecowy. Największa pozycją w stratach procesu koksowania stanowi entalpia fizyczna koksu wypychanego z komór koksowniczych. Jego temperatura wynosi 1000-1100 oC. Tradycyjnie koks jest gaszony za pomocą intensywnego natrysku wodą. Ciepło tracone przy mokrym gaszeniu koksu stanowi około 40 do 45% energii chemicznej gazu zużywanego do opalania baterii. Strat tych można uniknąć poprzez zastosowanie instalacji suchego gaszenia koksu, z której spaliny podgrzane do temperatury 700÷800°C wykorzystuje się do produkcji pary w kotle odzyskowym. W Polsce jedyna instalacja suchego gaszenia koksu działa w koksowni obok Huty Katowice.

5. Przemysł chemiczny • Przemysł chemiczny należy obok hutnictwa do najbardziej energochłonnych krajowych przemysłów. Największy udział w zużyciu nośników energetycznych na poziomie dostaw mają zakłady zgrupowane w następujących branżach: • przemysł rafineryjny wraz z petrochemicznym i azotowym, • przemysł nieorganiczny, • przemysł kopalnictwa surowców chemicznych, • przemysł włókien chemicznych. • W zakresie gospodarki cieplnej można wymienić następujące możliwości racjonalizacji: • modernizacja kotłów przez przystosowanie palenisk do fluidalnego spalania węgla, • zastosowanie układów gazowo-parowych w elektrociepłowniach, • poprawa wykorzystania przemysłowej energii odpadowej w celach grzejnych, • poprawa stanu izolacji rurociągów pary i gorącej wody, • racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point Technology).

6. Przemysł mineralny Dzięki przejściu z produkcji cementu metodą mokrą na metodę suchą udało się w Szwajcarii obniżyć średnią energochłonność o 30%. W Polsce należałoby się spodziewać efektów podobnego rzędu. Przemysł drzewny i celulozowo-papierniczy Perspektywą rozwoju przemysłu drzewnego w zakresie energetyki przemysłowej jest dążenie wszystkich zakładów do samowystarczalności energetycznej. Można to osiągnąć przez dalszy rozwój technologii i urządzeń do spalania odpadów drzewnych w miejscu ich powstawania. Przemysł spożywczy Możliwości racjonalizacji gospodarki energetycznej w przemyśle spożywczym są związane z następującymi przedsięwzięciami: zastosowanie skojarzonych układów ziębno-grzejnych, wykorzystanie oparów, ochładzanie ścieków, stosowanie akumulacji ciepła, racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point Technology).

7. Elektrociepłownie przemysłowe Charakterystyka krajowych elektrociepłowni przemysłowych Moc elektryczna zainstalowana w energetyce przemysłowej wynosi około 3 GW. Łączna liczba elektrociepłowni zakładowych wynosi około 220, przy czym ponad 80 % stanowią elektrociepłownie o mocy elektrycznej do 20 MW. Największa elektrociepłownia przemysłowa (Rafineria Płock) ma moc elektryczną ponad 300 MW. W kolejnej co do wielkości elektrociepłowni hutniczej Nowa, jest zainstalowana moc elektryczna 125 MW. Elektrociepłownie przemysłowe stanowią istotną część krajowego podsystemu elektroenergetycznego (udział 10 % w mocy osiągalnej i 6 % w produkcji energii elektrycznej). Mogą one w znacznym stopniu wpływać na bilans mocy i energii elektrycznej w kraju pod warunkiem należytego ich wykorzystania, właściwej eksploatacji i odpowiedniej modernizacji urządzeń.

8. Elektrociepłownie przemysłowe wielopaliwowe Charakterystyczne dla elektrociepłowni przemysłowych jest wykorzystywanie paliw odpadowych. Typowym przykładem są tutaj elektrociepłownie hutnicze. Realizacja technologii hutniczych jest związana z produkcją palnych gazów przemysłowych. Obecnie palne gazy hutnicze są spalane w kotłach elektrociepłowni w mieszance z węglem kamiennym. Kotły wielopaliwowe w elektrociepłowniach hutniczych odznaczają się specyficzną charakterystyką energetyczną zależną od udziału gazów w mieszance. Spośród gazów palnych dominujący wpływ na warunki spalania i wymiany ciepła ma najuboższy gaz wielkopiecowy ze względu na jego ilość. Wraz ze zmianą udziału gazu wielkopiecowego w mieszance zmienia się sprawność energetyczna kotła i jego wydajność maksymalna trwała.

9. Modernizacja elektrociepłowni przemysłowych przez dołączenie członu gazowego Poprawę efektywności energetycznej elektrociepłowni przemysłowych można uzyskać przez dobudowę członu gazowego do istniejącej części parowej elektrociepłowni. Modernizację taką najłatwiej można zrealizować wykorzystując standardowe turbiny gazowe zasilane gazem ziemnym systemowym. Opracowane jednak dla kilku polskich elektrociepłowni przemysłowych projekty takiej modernizacji nie doczekały się praktycznej realizacji ze względu na niespełnione kryterium ekonomiczne. Jest to wynikiem niekorzystnej dla odbiorców przemysłowych obowiązującej w Polsce struktury taryf na gaz ziemny. Wykorzystanie palnych gazów hutniczych do takiej modernizacji nie napotyka na tę barierę. W zagranicznych elektrociepłowniach hutniczych od kilkunastu lat stosuje się z powodzeniem układy gazowo-parowe zasilane hutniczymi gazami palnymi. Układ gazowy można włączyć równolegle do istniejącego obiegu elektrociepłowni podwyższając efektywność wykorzystania hutniczych gazów palnych. Przedsięwzięcie to nazywa się popularnie „repowering”.

10. Racjonalizacja użytkowania energii Podstawy metodyczne Drogą do zmniejszenia energochłonności gospodarki narodowej jest racjonalizacja użytkowania paliw i energii. Pod pojęciem racjonalizacji rozumie się optymalny sposób oszczędności. Rozróżnia się racjonalizację strukturalną, techniczną i organizacyjną. Racjonalizacja strukturalna polega na zmniejszeniu udziału produkcji energochłonnej w gospodarce narodowej i zwiększeniu udziału produkcji o niskiej energochłonności skumulowanej. Można wyróżnić następujące kierunki obniżenia energochłonności gospodarki narodowej i zmniejszenia zagrożenia środowiska naturalnego: Poprawa doskonałości termodynamicznej procesów energetyki cieplnej. Poprawa stanu eksploatacji urządzeń energetyki cieplnej. Poprawa sprawności energetycznej odbiorników energii. Poprawa stanu wykorzystania energii odpadowej. Obniżenie materiałochłonności procesów produkcyjnych. Zmniejszenie udziału produktów energochłonnych.

11. WYKORZYSTANIE ENERGII ODPADOWEJ [7] Procesy energetyczne powinny być w zasadzie tak realizowane, aby energia napędowa była wykorzystana jak najpełniej w granicach technicznych możliwości i opłacalności ekonomicznej. Przykładem takiego procesu jest siłownia parowa, w której stopień wykorzystania spalin w kotle i pary rozprężanej w turbinie kondensacyjnej jest ekonomicznie uzasadniony. W wielu jednak cieplnych procesach przemysłowych występują nośniki energii odpadowej (spaliny, palne gazy odlotowe, opary), które mogą być wykorzystane w sposób opłacalny. Wykorzystanie energii odpadowej prowadzi do oszczędności paliw podstawowych (węgla, gazu ziemnego, oleju opałowego), przy czym przedsięwzięcie to niejednokrotnie wymaga mniejszych nakładów niż pozyskiwanie paliw nieodpadowych. Wykorzystanie energii odpadowej pozwala zmniejszyć także nakłady na transport i przetwarzanie paliw oraz wpływa na zmniejszenie emisji szkodliwych substancji.

12. Rekuperacja fizyczna W wielu procesach technologicznych przebiegających przy podwyższonej temperaturze nie jest możliwe dostateczne wykorzystanie entalpii fizycznej spalin. Rekuperacja fizyczna polega na wykorzystaniu spalin odpływających z pieca przemysłowego do podgrzania substratów spalania. Jest to jeden z najbardziej efektywnych sposobów wykorzystania energii odpadowej. O wysokiej efektywności energetycznej rekuperacji świadczy wartość mnożnika oszczędności energii chemicznej paliwa:

13. Kotły odzyskowe Kotły odzyskowe stosuje się wówczas, gdy wykorzystanie spalin lub gazów odlotowych w rekuperatorach nie jest potrzebne lub jest zbyt małe albo gdy parametry spalin wymagają zastosowania ochronnej powierzchni ogrzewanej. Rozwiązanie konstrukcyjne kotła odzyskowego zależy od temperatury gazów dolotowych. Kotły odzyskowe w przemyśle chemicznym stanowią organiczny element ciągu technologicznego. Instalowanie kotłów odzyskowych wpływa w sposób bezpośredni i pośredni na ochronę środowiska. Instalacje chłodnicze Spaliny o niezbyt wysokiej temperaturze można wykorzystać do zasilania ziębiarek absorpcyjnych. Wytwarzany czynnik chłodniczy można zastosować do celów klimatyzacji lub do celów technologicznych (np. do obniżenia temperatury powietrza przed urządzeniami sprężającymi). Dzięki obniżeniu temperatury powietrza przed sprężaniem można uzyskać bądź zmniejszenie mocy napędowej przy zachowaniu stałej wydajności, bądź też zwiększenie wydajności przy zachowaniu mocy napędowej na stałym poziomie. Rekuperacja chemiczna Podgrzewanie komór konwersji za pomocą spalin wylotowych

14. Chłodzenie wyparkowe Elementy konstrukcyjne wysokotemperaturowych urządzeń energotechnologicznych wymagają chłodzenia ze względu na ograniczoną żaroodporność. Zastąpienie tradycyjnego chłodzenia wodą surową przez chłodzenie z odparowaniem przynosi korzyści w postaci produkcji użytecznego nośnika energii (ok. 60% efektu), zmniejszenia zużycia wody (około 20% efektu) i przedłużenia trwałości elementów (ok. 20% efektu). Turbiny odzyskowe Dławienie gazów odlotowych z procesów pracujących przy podwyższonym ciśnieniu powoduje stratę egzergii. Celowe jest więc zainstalowanie turbiny odzyskowej (popularnie nazywanej turbiną rozprężną) wykonującej pracę kosztem egzergii gazu odlotowego. Stosuje się turbiny odzyskowe suche i mokre. Zwykle turbinę odzyskową stosuje się do napędu generatora elektrycznego. Chemiczna energia odpadowa Gazy odlotowe z procesów technologicznych zawierające składniki palne mogą mieć wartość opałową od 30÷250 MJ/kmol. Gazy odlotowe o wartości opałowej powyżej 120 MJ/kmol są wartościowym samodzielnym paliwem. Przy Wd = 60÷120 MJ/kmol praktyczne zastosowanie palnych gazów odlotowych wymaga wzbogacenia paliwem bogatym lub zastosowania powietrza podgrzanego , bądź wzbogaconego w tlen.

15. Entalpia fizyczna stałych i ciekłych produktów Wykorzystanie entalpii fizycznej produktów stałych i ciekłych o wysokiej temperaturze nie jest jeszcze w Polsce upowszechnione. Wykorzystanie zasadniczej części entalpii żużli przebiega w fazie stałej. Pewną część ich entalpii fizycznej można wykorzystać z żużli ciekłych na drodze promieniowania. Entalpia fizyczna gorącego spieku może być wykorzystana poprzez zagospodarowanie entalpii fizycznej powietrza używanego do chłodzenia spieku. W przypadku procesu koksowniczego źródło energii odpadowej stanowi entalpia fizyczna koksu. Tradycyjną metodę gaszenia koksu za pomocą wody można zastąpić instalacją suchego gaszenia koksu , którą można połączyć z procesem wstępnego podgrzewania węgla wsadowego. Duże możliwości wykorzystania entalpii fizycznej produktów technologicznych dla podgrzewania powietrza spalania występują w instalacjach przemysłu materiałów budowlanych oraz w procesach chłodzenia końcowego i międzyoperacyjnego produktów walcowni hutniczych.

16. Niskotemperaturowa energia odpadowa Do zasobów niskotemperaturowej energii odpadowej zalicza się ciecze o temperaturze do 150°C i gazy o temperaturze poniżej 250÷300°C. Parametry niskotemperaturowego nośnika energii odpadowej można podwyższyć stosując pompy grzejne, o ile będzie to przedsięwzięcie opłacalne. Najbardziej efektywnym sposobem zagospodarowania niskotemperaturowej energii odpadowej jest bezpośrednie podgrzewanie innych czynników: powietrza spalania, wody zasilającej, wody z sieci ciepłowniczej lub ciepłej wody użytkowej. Te inwestycje charakteryzują się najkrótszymi czasami zwrotu. Przy wyższych temperaturach (do 350°C) bierze się pod uwagę zastosowanie niskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rankine'a do produkcji energii elektrycznej. Dotychczas jednak czasy zwrotu tych rozwiązań nie były zachęcające. W niektórych procesach technologicznych uzyskuje się opary o niskich parametrach termicznych. Opary takie można przystosować do wykorzystania przez sprężanie za pomocą strumienic lub sprężarek wirnikowych.

17. 5. Racjonalizacja użytkowania energii elektrycznej w przemyśle Na początku lat 90-tych udział przemysłu w krajowym zużyciu energii elektrycznej wynosił około 55%. W krajach rozwiniętych ten udział kształtuje się na poziomie około 40% [6]. Według [19, 20] elektrochłonność produktu krajowego brutto (PKB) w latach 2005-2006 kształtowała się na poziomie około 135 MWh/mln zł. Około połowy do dwóch trzecich zużycia energii elektrycznej ma miejsce w silnikach elektrycznych. Dlatego bardzo istotny jest prawidłowy dobór układów napędowych, przy czym ważna jest nie tylko sprawność, ale i współczynnik mocy, od którego zależy pobór mocy biernej. Obok zużycia energii elektrycznej w przemyśle do celów napędowych ma miejsce także zużycie elektryczności w procesach elektrotermicznych. Zużycie energii elektrycznej do celów oświetleniowych kształtuje się w granicach 15-30% globalnego zużycia energii elektrycznej. Możliwości obniżenia zużycia energii elektrycznej na oświetlenie wynikają m.in. z następujących przedsięwzięć: zastosowanie energooszczędnych źródeł światła oraz opraw oświetleniowych o wyższej sprawności, wprowadzenie automatycznego sterowania oświetleniem.