RESURSE ENERGETICE SECUNDARE

1 Aspecte generale privind res.

Activitatile umane sunt caracterizate in marea lor majoritate printr-un consum de materii prime (materiale) si unul de energie (sub diverse forme). Rezultatul principal al oricarei activitati este un produs sau un serviciu. In timpul activitatii (procesului), pot rezulta unul sau chiar mai multe produse secundare (deseuri), care depind de modul de lucru (tehnologie), de tipul resurselor consumate (materiale, energie) si de modul de organizare a lucrului (management).

Produsele secundare, dintre care unele pot fi dorite (acceptate) iar altele nedorite, sunt deseori purtatori de energie sub diverse forme :

caldura sensibila sau latenta;

suprapresiune;

putere calorifica.

Aceste produse secundare pot fi aruncate sau pot fi recuperate, reciclate si refolosite in cadrul aceluiasi proces sau intr-un altul.

Conceptul RRR (recuperare, reciclare, refolosire) a aparut in momentul in care omenirea a devenit constienta de caracterul limitat al resurselor materiale si energetice, moment care a determinat si o crestere semnificativa a preturilor acestor resurse. Recuperarea a devenit din acel moment o necesitate economico-financiara pentru orice activitate umana ale carei produse intrau pe piata mondiala. La acest nivel, pretul recuperarii s-a dovedit a fi mai mic decat pretul nerecuperarii (costurile de productie fiind mai mici in cazul recuperarii decat in cazul nerecuperarii). Astfel, daca unul singur dintre producatori adopta un procedeu care implica recuperarea de orice fel, pretul produsului sau scade si ii obliga si pe ceilalti producatori de pe aceeasi piata sa adopte un procedeu asemanator.

In momentul de fata, gestionarea eficienta a energiei in cadrul unei organizatii (companie, intreprindere, trust, etc) constituie obiectul de activitate al unui colectiv sau macar al unui responsabil cu utilizarea energiei ("energy manager"), care raspunde in fata conducerii superioare a organizatiei.

Odata cu cresterea pretului energiei si alinierea lui la pretul mondial, aplicarea recuperarii energiei sub toate formele devine si pentru Romania o prioritate. Din punct de vedere tehnic, recuperarea energiei este legata de un contur de bilant dat (agregat, sectie, cladire, intreprindere, platforma industriala, oras, etc). In raport cu acest contur de bilant energetic dat, recuperarea poate fi :

interioara;

exterioara.

Fiecare dintre cele doua directii prezinta avantaje si dezavantaje. Atunci cand se pune problema recuperarii unui flux de energie deseu (resursa energetica secundara) eliminat dintr-un contur, primul aspect al analizei consta in inventarierea consumatorilor potentiali pentru fluxul de energie respectiv. Consumatorii potentiali sunt cautati atat in interiorul conturului cat si in exteriorul sau. De cele mai multe ori exista mai multe variante posibile, care sunt comparate si din care se alege in final solutia cea mai convenabila. Aceasta alegere trebuie facuta numai pe criterii economice, dupa ce toate avantajele si dezavantajele au fost exprimate sub forma baneasca.

2 Definitii, tipuri, caracteristici.

In cadrul proceselor tehnologice industriale se utilizeaza forme de energie de provenienta diferita. Astfel, energia poate avea o sursa exterioara procesului (arderea combustibililor), o sursa interioara (efect electrotermic) sau poate rezulta si din insasi desfasurarea procesului respectiv (caldura degajata din reactiile chimice exoterme).

Procesele tehnologice disponibilizeaza adesea mari cantitati de energie, sub diferite forme, rezultate ca produse secundare. Atunci cand sunt caracterizate de un potential energetic utilizabil, aceste fluxuri de energie, avand de cele mai multe ori ca suport fluxuri de masa, reprezinta resurse energetice secundare (r.e.s.). Avand in vedere modul de definire a lor, r.e.s. pot fi incadrate in categoria pierderilor energetice ale procesului din care au rezultat.

Analiza recuperarii resurselor energetice secundare rezultate in cadrul unui proces tehnologic industrial se face la un moment de timp caracterizat de anumite conditii tehnice si economice. In functie de aceste conditii, numai o cota parte din continutul energetic al r.e.s. poate fi refolosita eficient tehnico-economic, aceasta cota constituind resursele energetice refolosibile (r.e.r.).

Astfel, valoarea r.e.r. fiind dependenta de stadiul dezvoltarii tehnologiilor de recuperare si de nivelul de referinta al costurilor energiilor si materialelor utilizate, are un caracter dinamic.

Definirea resurselor energetice secundare si calculul eficientei recuperarii lor se face stabilind in prealabil un contur de referinta, care poate fi un proces, un agregat, un subansamblu tehnologic, o linie tehnologica, o intreprindere sau o zona (platforma) industriala. Diversitatea mare de procese industriale conduce la aparitia unor categorii diferite de r.e.s., cu caracteristici diferite in functie de forma de energie utilizabila si natura agentului energetic.

In functie de caracteristicile fizico-chimice pe care le prezinta, r.es.-urile rezultate din diferite procese tehnologice, pot apartine uneia sau simultan mai multor categorii de resurse energetice secundare (r.e.s.). In tabelul 1 sunt prezentate principalele categorii de r.e.s., forma de energie utilizabila si exemple.

Tabelul 1 Tipuri de r.e.s.

In categoria resurselor energetice secundare ponderea cea mai importanta o reprezinta gazele de ardere. In cazul principalelor procese tehnologice din industrie (metalurgie, constructii de masini, materiale de constructii, chimie), temperaturile necesare desfasurarii lor variaza in limite largi. Ca urmare gazele de ardere rezultate din aceste procese au in mod curent temperaturi cuprinse intre 300 - 2800 ^oC, impunandu-se ca importante resurse energetice secundare de natura termica.

Procesele pirotehnologice reprezinta procesele tehnologice care presupun arderea combustibilului sau prelucrarea termica a acestuia. Ele au o pondere mare in cadrul unor ramuri industriale ca:

- industria metalurgica;

- industria constructoare de masini;

- industria chimica;

- industria petrochimica;

- industria materialelor de constructie.

Randamentele termice ale acestor procese au valori minime, deci ele prezinta pierderi de caldura mari, constituind o rezerva considerabila de resurse energetice secundare, in special sub forma gazelor de ardere.Facand abstractie de procesele electro-termice si de cele chimice bazate pe reactii puternic exoterme, gazele de ardere cu un continut ridicat de caldura sensibila, sunt furnizate in general de procesele pirotehnologice, rezultand prin arderea combustibilului. Datorita temperaturii ridicate impuse de desfasurarea acestor procese, caldura evacuata cu gazele de ardere poate avea o pondere de 35 - 60% din cantitatea de energie consumata.

O categorie aparte de gaze de ardere, din punct de vedere calitativ, o reprezinta cele rezultate din incinerarea deseurilor industriale si menajere. Problematica recuperarii acestei categorii de gaze de ardere se analizeaza corelat cu structura procedeelor de incinerare a deseurilor. Desi scopul acestor procedee este eliminarea deseurilor si nu recuperarea lor, caracteristicile termice ale gazelor de ardere rezultate impun atat deseurile urbane cat si pe cele industriale ca surse importante de energie, mai ales pentru aglomerarile urbane.

Unitatile de incinerare a deseurilor menajere cu recuperare de energie sunt specifice marilor aglomerari urbane. Datorita puterii calorifice scazute (apropiata de aceea a carbunilor inferiori ca turba si lignitul) utilizarea deseurile menajere ca resurse energetice combustibile nu prezinta o eficienta energetica ridicata. Insa recuperarea caldurii sensibile a gazelor de ardere rezultate la arderea acestora in uzinele de incinerare este eficienta din punct de vedere tehnico-economic si contribuie la diminuarea costului global al acestui tip de tratament termic.

Limitele domeniului de temperaturi ale gazelor de ardere evacuate in cadrul procedeului de incinerare a deseurilor menajere sunt determinate de caracteristicile constructive si functionale ale cuptoarelor de incinerare si ale instalatiilor anexe. Astfel, pentru ca arderea sa se desfasoare in conditii bune, este necesara o temperatura de minimum 750 ^oC iar pentru a evita ancrasarea cuptorului, acestea nu trebuie sa depaseasca 950 ^oC .

De asemenea, recuperarea gazelor de ardere evacuate din cuptoarele de incinerare a deseurilor menajere prezinta anumite particularitati fata de cele evacuate din instalatiile pirotehnologice care functioneaza cu combustibili clasici. Aceste particularitati sunt determinate de continutul ridicat in poluanti gazosi si solizi.

Continutul de energie al r.e.s se determina avand in vedere forma de energie si agentul purtator. Astfel, avand in vedere principalele categorii de r.e.s. (termice, combustibile, suprapresiune), in cele ce urmeaza se exemplifica pentru cazul gazelor de ardere modul de determinare al energiei continute.

Caldura sensibila continuta de un debit de gaze (r.e.s. termice) care poate fi preluata prin racirea acestora in instalatia recuperatoare este:

Q = W (t₁ - t₂) (1)

unde W este capacitatea calorica a debitului de gaze (produsul intre debit si caldura specifica medie) iar t₁ este temperatura cu care sunt disponibile gazele iesite din incinta de lucru.

Valoarea minima a temperaturii t₂ cu care gazele de ardere ies din instalatia recuperatoare este limitata de temperatura punctului de roua acida t_r. Astfel, pentru combustibilii care contin :

- mai putin de 1% sulf t_2min = t_r + 30 grd (2)

- mai mult de 1% sulf t_2min = t_r + 40 grd (3)

Debitul total de gaze de ardere se calculeaza in functie de sarcina tehnologica, de consumul specific de combustibil, de cantitatea de gaze de ardere rezultate prin arderea unitatii de masa sau de volum de combustubil si de coeficientul de evacuare a gazelor de ardere din camera de lucru a agregatului tehnologic. La calculul debitului specific de gaze se tine seama si de patrunderile de aer fals pe traseul gazelor de ardere, de la iesirea din camera de lucru a agregatului tehnologic pana la intrarea in instalatia recuperatoare, prin coeficientul de exces de aer.

Atat masa deseurilor care sunt supuse tratamentului de incinerare cat si puterea calorifica inferioara acestora variaza in limite foarte largi. Astfel uzinele de incinerare pot avea capacitati cuprinse intre 10000 si 700000 t/an iar puterea calorifica inferioara poate varia practic intre 5000 si 8500 kJ/kg, pentru deseuri menajere si 12500 - 33400 kJ/kg, pentru deseuri industriale.

Marimea cantitatii de deseuri incinerate si puterea calorifica inferioara a acestora determina cantitatea de caldura posibil a fi recuperata. In cazul arderii deseurilor cu puteri calorifice scazute (sub 5000 kJ/kg), continutul ridicat de umiditate al acestora determina o functionare instabila a sistemului cuptor - cazan recuperator. In acest caz, conditiile de functionare pot fi imbunatatite prin aplicarea preincalzirii aerului de ardere pana la circa 300 ^oC, prin recuperarea caldurii gazelor de ardere evacuate. Pe masura ce puterea calorifica inferioara a deseurilor creste, functionarea sistemului cuptor - cazan este mai stabila iar calitatea aburului produs permite o utilizare eficienta pentru alimentarea cu caldura si/sau energie electrica.

Pentru puteri calorifice inferioare medii ale deseurilor menajere tratate termic, randamentul ansamblului cuptor - cazan recuperator variaza intre 50 si 80% in functie de tipul arzatorului, caracteristicile arderii si modul de dimensionare al suprafetei de schimb de caldura a cazanului recuperator.

Suprapresiunea cu care gazele (r.e.s. de suprapresiune) sunt evacuate din incinta de lucru poate fi de ordinul mbar sau de ordinul sutelor de bar. Energia potentiala continuta de gaze poate fi valorificata prin destindere intr-o turbina de detenta, care poate antrena un generator electric sau un consumator de lucru mecanic din interiorul conturului de bilant considerat. Lucrul mecanic generat prin destinderea in turbina este:

l_T = R T_IN (1 - e^a h_IT b (4)

unde R = 8,315 kJ/kmolK este constanta universala a gazelor, b = 0,2 - 0,29 este o marime care depinde de valoarea exponentului adiabatic, h_IT = 0,78 - 0,88 este randamentul intern al turbinei de detenta iar e este raportul presiunilor de iesire si de intrare in turbina (e < 1). Se poate constata ca lucrul mecanic de destindere depinde de temperatura absoluta de intrare in turbina T_IN si de raportul de destindere e

Puterea calorifica a r.e.s. combustibile se datoreaza componentelor combustibile care pot fi intalnite in amestecul de gaze de proces, de sinteza sau de purja (H₂, CO, CH₄). Valorile puterilor calorifice inferioare, pentru cateva astfel de componente, sunt prezentate in tabelul 2.

Tabelul 2 Valorile catorva componente combustibile ale unor amestecuri de gaze.

In cazul in care acelasi debit de gaze are suprapresiune si contine si elemente combustibile, recuperarea se poate face etapizat, mai intai prin destindere si apoi prin ardere.

3 Directii de recuperare.

Recuperarea resurselor energetice secundare poate fi, interioara sau exterioara, in raport cu conturul de bilant energetic stabilit pentru analiza.

Recuperarea interioara are loc atunci cand energia continuta de catre r.e.s-urile rezultate dintr-un proces tehnologic este recuperata in cadrul aceluiasi proces. Solutiile de recuperare interioara sunt caracterizate de urmatoarele aspecte :

-utilizarea energiei recuperate se face direct in cadrul agregatului sau liniei tehnologice in care s-a produs r.e.s.;

- prin aplicarea unei solutii de recuperare de acest tip se economiseste combustibil tehnologic (superior), efectul constand in reducerea directa a facturii energetice asociate agregatului sau procesului care a generat resursele energetice secundare;

- sub aspect economic, prin incadrarea instalatiilor recuperatoare in fluxul tehnologic, aceste solutii de recuperare nu necesita cheltuieli suplimentare de exploatare;

- aplicarea solutiilor de recuperare interioara pot conduce la cresterea productivitatii agregatului tehnologic.

Tabelul 3 Solutii de recuperare interioara a caldurii gazelor.

Datorita limitarilor ce intervin in cazul aplicarii independente a diferitelor solutii de recuperare interioara, in anumite situatii se justifica tehnico-economic aplicarea combinata a acestora. In tabelul 3 sunt exemplificate pentru cazul particular al gazelor de ardere caracterizate de nivel termic ridicat (resurse energetice secundare de natura termica), principalele solutii de recuperare interioara.

Recuperarea exterioara are loc atunci cand energia continuta de catre r.e.s este utilizata in afara procesului tehnologic din care a rezultat, in cadrul intreprinderii sau platformei industriale, pentru acoperirea necesarului de energie termica si electrica (mecanica). Aceste solutii de recuperare se pot aplica fie ca solutii independente, fie pentru cresterea gradului total de recuperare realizat in cadrul conturului de bilant dat. Analizand recuperarea interioara comparativ cu recuperarea exterioara, aceasta din urma prezinta urmatoarele aspecte caracteristice:

- utilizarea energiei recuperate din r.e.s. in afara limitelor procesului industrial din care au rezultat, conduce la limitari de regim in recuperare datorate nesimultaneitatii producerii cu consumul fie sub aspect cantitativ (in cazul utilizarii energiei recuperate in directie termica), fie sub aspect calitativ (in cazul utilizarii energiei recuperate in directie electrica sau mecanica);

- efectele energetice obtinute prin economisirea combustibilului se reflecta la nivelul utilizatorului energiei recuperate, de regula combustibilul economisit fiind combustibil energetic

- efectele economice determinate atat de economia de cheltuieli cu combustibilul cat si de investitiile si cheltuielile aferente instalatiei recuperatoare influenteaza balanta economica a utilizatorului energiei recuperate.

In tabelul 4 sunt precizate principalele aspecte carecteristice ale solutiilor de recuperare exterioara, exemplificate pentru cazul gazelor de ardere.

De multe ori, in special in cazul gazelor de ardere evacuate din procesele pirotehnologice avand un continut de caldura sensibila mare, se impune aplicarea recuperarii in mai multe trepte (in cascada), combinand solutiile de recuperare interna cu cele externe. Astfel se obtine un grad total de recuperare mai mare decat prin aplicarea independenta a fiecarei solutii de recuperare prezentate anterior. In aceste conditii, analiza eficientei recuperarii se aplica ansamblului schemei de recuperare, scopul fiind determinarea variantei optime de schema complexa de recuperare. Problemele care se pun in cazul schemelor complexe de recuperare sunt :

repartitia cantitatii totale de caldura intre diferitele directii (solutii) de recuperare;

optimizarea schemei complexe de recuperare;

analiza tehnico-economica a ansamblului schemei de recuperare complexa.

Tabelul 4 Elemente caracteristice ale solutiilor de recuperare exterioara.

4 Efectele reperarii res.

Printre cele mai eficiente metode de crestere a gradului de utilizare a energiei consumate in procesele industriale poate fi amintita valorificarea resurselor energetice secundare rezultate, in speta a gazelor de ardere. Efectele recuperarii r.e.s. sunt de natura tehnica, economica si ecologica.

a. Efecte de natura tehnica.

Conceperea si incadrarea unor instalatii recuperatoare direct in fluxul tehnologic contribuie la modernizarea schemelor generale ale proceselor tehnologice. Astfel amplasarea de recuperatoare (pentru preincalzirea aerului, a combustibilului, a materielelor tehnologice) in cadrul proceselor pirotehnologice din industria metalurgica, a materialelor de constructii, chimica, permit trecerea la tehnologii noi, performante, cu un inalt grad de recuperare, cu productivitati ridicate de obtinere a produsului finit. Prin procedeele de recuperare, ca recircularea gazelor de ardere se mareste durata de viata a agregatelor tehnologice, diminuandu-se solicitarile termice la care sunt supuse partile componente . Efectele de natura tehnica sunt corelate si se regasesc in cele de natura economica.

b. Efecte de natura economica.

Sub aspect economic, efectele imediate sunt determinate in primul rand de economia de energie realizata, in functie de directia in care s-a facut recuperarea, fie la nivelul producatorului energiei recuperata, fie la nivelul beneficiarului acestuia. Astfel se reduc consumurile energetice la nivelul conturului analizat (indiferent care este acesta), reducandu-se implicit si aportul de combustibil clasic.

Reflectarea economica a reducerii consumurilor energetice, la nivelul intreprinderilor sau a platformelor industriale, are loc prin reducerea cheltuielilor de productie aferente acestora, ceea ce in final determina reducerea pretului de cost al produselor tehnologice. Efectul indirect, mentionat anterior, respectiv reducerea apelului la energia primara, se reflecta prin reducerea pierderilor energetice si a consumurilor efective de energie din etapa extractiei si a transportului combustibilului.

c. Efecte ecologice.

O importanta deosebita a recuperarii resurselor energetice secundare, o reprezinta efectele reflectate asupra mediului ambiant. Din diferite procese industriale, rezulta gaze de ardere, care datorita cantitatii si calitatii lor nu pot fi evacuate ca atare in mediul ambiant.

Cea mai mare parte a acestora, datorita particularitatilor pe care le prezinta : temperatura, compozitie, presiune, pot constitui resurse energetice secundare termice, combustibile sau de suprapresiune, ele fiind utilizate ca atare si in acelasi timp neutralizate sub aspectul nocivitatii asupra mediului ambiant.

Recuperarea gazelor de ardere rezultate din procesele industriale, ca r.e.s. de natura termica determina reducerea sensibila a emisiei de caldura in mediul ambiant, deci reducerea efectului de sera, care constituie in conditiile puternicei industrializari cu care se confrunta planeta, un pericol iminent de distrugere a echilibrului ecologic .

Exista o categorie de resurse energetice secundare sub forma de gaze de ardere, a caror recuperare este sustinuta in primul rand de considerentele ecologice si apoi de cele energetice si economice. Din aceasta categorie fac parte si gazele de ardere rezultate din procesele industriei chimice, metalurgice, materialelor de constructii, care datorita substantelor toxice continute, prin interactiune chimica cu aerul dar mai ales cu apa, pot conduce la formarea unor substante toxice sau cu caracter coroziv asupra insasi a agregatelor tehnologice si a tot ceea ce exista pe o raza apreciabila.

Prin normativele emise, legislatia internationala prevede principalele categorii de poluanti atmosferici, ai apei si solului, efectele lor nocive asupra mediului ambiant, continuturile limita admise, precum si taxele percepute in cazul depasirii lor . Valorificarea energetica , in limitele eficientei tehnico-economice a gazelor care rezulta din procesele industriale, poate constitui o metoda de conservare a mediului ambiant.

Extractia combustibililor clasici, in special a celor solizi cu exploatari la suprafata prin decopertarea staraturilor de pamant de deasupra, are efecte negative asupra echilibrului ecologic. Din aceasta cauza orice economie de combustibil (inclusiv cel nuclear), realizata prin recuperare reprezinta o reducere substantiala a apelului la resursele de energie primara, reducandu-se astfel efectele nocive asupra mediului ambiant.