Енергийна ефективност на системи за процесна топлина

• Инсталациите за генериране на технологична топлина са ключова част от оборудването в процесните индустрии и един от най-големите консуматори на енергия в промишлеността
  
  
• При иницииране на програми за подобряване на енергийната ефективност е необходимо да се идентифицират традиционните зони с риск от загуби на топлина и да се проучи къде е налице потенциал за енергоспестяване
  
  
• Най-използваните в модерната промишленост системи за процесна топлина най-общо се подразделят на три типа – горивни, електрически и парни

Инсталациите за генериране на технологична топлина са ключова част от оборудването в процесните индустрии и един от най-големите консуматори на енергия в промишлеността. Ето защо техническите средства и мерки за повишаване на енергийната ефективност на горелки, котли, парогенератори, пещи, сушилни и други системи за производство на процесна топлина са критичен елемент от програмите за енергийна оптимизация в съвременните предприятия.

Експертите препоръчват при иницииране на мероприятия за подобряване на ефективността във връзка с оползотворяването на енергията да се идентифицират традиционните зони с риск от енергийни загуби и да се проучи къде е налице най-голям потенциал за енергоспестяване чрез прилагане на целенасочени средства и технологии.

Типове системи

Генерирането на процесна топлина е съществен етап от множество производствени и преработвателни операции в съвременната индустрия. Тази топлинна енергия се използва за нагряване на различни материали в производството на метали и метални изделия, например стомана и алуминий, както и на неметали като стъкло, цимент, каучук, пластмаса, петролни продукти, керамика и др. Топлината се прилага с цел повишаване на температурата на твърди вещества, течности или газове посредством специализирано отоплително оборудване като пещи, нагреватели, топилни машини, сушилни и т. н.

Процесът на нагряване размеква, стопява или изпарява материалите или провокира химични реакции, пренареждане или разпадане на молекулите на веществата, които се нагряват. Топлинната енергия, необходима за работата на технологичното отоплително оборудване, идва от горива като природен газ, мазут, въглища или от други енергийни източници като електричество или пара. Ето защо най-използваните в модерната промишленост системи за процесна топлина най-общо се подразделят на три типа – горивни, електрически и парни.

При технологичното отопление чрез горивни инсталации топлината се генерира при изгарянето на твърди, течни или газообразни горива и се пренася директно или индиректно към материала. Горивните газове са или в контакт с материала (директно нагряване), или са ограничени и физически отделени от него (непряко нагряване; например чрез тръби на лъчиста горелка, лъчисти панели, муфели и др.). Примери за такова оборудване са пещите, някои типове промишлени нагреватели и топилните машини.

Електрическите системи използват електрически ток или електромагнитни полета за нагряване на материалите. Методите за директно нагряване генерират топлина в материала чрез: преминаване на ток през материала; индуциране на ток (вихров ток) в него или чрез възбуждане на атомите/молекулите в материала посредством електромагнитно излъчване (например микровълни).

Техниките за индиректно нагряване използват един от горните три метода за повишаване на температурата на нагревателен елемент или приемник, който пренася топлината чрез проводимост, конвекция, излъчване или комбинация от тези процеси към материала. Примери за електрически системи за технологично отопление в индустрията са инсталации за индукционно нагряване и топене, електродъгови, инфрачервени или вакуумни пещи.

Парните системи доставят топлина на материалите директно или непряко чрез парата като технологичен топлоносител. Системите за директно нагряване инжектират горещата пара в течности или газове, за да повишат температурата им чрез естествен топлообмен. Индиректните системи използват специален топлообменник, в който парата се охлажда и кондензира в тръби, а нагретите тръби пренасят топлината си към течностите и газовете. Парата предлага редица предимства в приложенията за процесно отопление, включително висок топлинен капацитет, лесно транспортиране посредством конвенционални системи, ниска токсичност и цена, както и възможност да бъде генерирана от множество различни горива, включително от странични или отпадни за индустриалните процеси продукти. Примери за системи с парно отопление са дестилационните колони, парните нагреватели, инсталациите за сушене на хартия и други продукти и т. н.

В практиката често се използват и варианти от смесен тип, комбиниращи различни енергийни източници за производството на технологична топлина. Те са известни като хибридни инсталации, а сред популярните комбинации са например системи за инфрачервено нагряване с електрически източник и горивен модул за сушене.

Стратегии за намаляване на топлинните загуби

Намаляването или елиминирането на топлинните загуби е най-важното съображение при редуцирането на потреблението с цел повишаване на енергийната ефективност на технологичното отоплително оборудване. В случаите, когато е невъзможно драстично да се намалят загубите, най-често се обмислят възможности за възстановяване на част от загубената енергия и използването й в рамките на самия процес или за други полезни цели. Съществуват няколко метода за оползотворяване на топлината, които могат да се приложат вътрешно в самата отоплителна система, външно – на ниво технологична инсталация, или да се преобразува в лесно транспортируема енергия като електричество.

Ефективността на оборудването за производство на процесна топлина в индустрията се измерва чрез съотношението на количеството топлинна енергия, използвано от нагрявания материал, към количеството енергия, подадено на отоплителното оборудване. Топлината, която не се оползотворява от материала, се губи през системата.

Топлинните загуби зависят от множество фактори, например от вида на използваната технология за топлоснабдяване, дизайна на системата, извършваните операции, както и от поддръжката на оборудването. Специалистите препоръчват преди стартиране на програма за повишаване на енергийната ефективност на инсталациите за генериране на технологично отопление да се инспектират традиционните области на загуба на топлина, да се идентифицират конкретните проблеми, както и да се набележат стъпки за намаляване, частично или цялостно (ако е възможно, макар в практиката това да е трудно постижимо) възстановяване на енергийните загуби.

Удобен и все по-популярен в съвременната индустрия инструмент за оценка на топлинните загуби и идентифициране на подходящи мерки за редуцирането или възстановяването им са специализираните софтуерни платформи, които използват данни, събрани чрез енергийно обследване на инсталациите. За провеждане на самия одит се използват добре познати технически средства като термовизионни камери, измервателни уреди, сензори и др. На база анализ на получените резултати софтуерът може не само с точност да локализира местата, в които се губи енергия, но да предложи и ефективни мероприятия за компенсиране на загубите.

Традиционни зони на загуби и мерки за намаляването им

Значително количество топлинна енергия обикновено се съдържа в димните или отработените газове от системата за технологична топлина. За редуциране на загубите могат да се приложат различни подходи, например намаляване на количеството на излишния въздух, използван за изгаряне на гориво в горелките.

Препоръчва се контрол и минимизиране на количеството въздух в пещите, сушилните и т.н., но при стриктно спазване на указанията за безопасност.
Изтичането на въздушни потоци може да бъде ограничено чрез намаляване на размера и броя на отворите и управление на налягането в пещта. Всички нежелани отвори в корпусите на технологичните агрегати или тръбните системи за пренос, като пробойни, пукнатини и др., е необходимо да бъдат отстранени своевременно, а оборудването да бъде регулярно инспектирано и обслужвано. Топлинната енергия може да бъде възстановявана чрез специални устройства за рекуперация, например системи за предварително загряване на въздушните потоци за горивните процеси чрез вече отработена топлина, економайзери за подгряване на водни потоци и др.

Популярен метод е т. нар. каскадно оползотворяване – използване на високотемпературни отработени газове за доставка на топлина към по-нискотемпературни отоплителни процеси.

Друга типична зона на загуби са стените или външните повърхности на отоплителното оборудване. Тук по традиция се залага на достатъчно добра по тип и дебелина изолация, която редовно се поддържа. Известни количества топлина се съхраняват и в огнеупорните материали, изолацията или другите материали, които са част от самото оборудване, когато то се нагрява от по-ниска (обикновено околна) до работна температура. Загубите й могат да бъдат ограничени чрез използване на системите в непрекъснат работен режим, който не предполага изстиване.

С оглед правилната експлоатация на технологичното оборудване с цел минимизиране на загубите е препоръчително системите да се експлоатират при близък до номиналния капацитет, както и да се ограничи използването на спомагателни инсталации, при които се допускат загуби.