Mr. se. Ilija Bilandžija, dipl. ing. Energo-biro d.o.o. Zagreb, Hrvatska HR0000035 ISKORIŠTAVANJE OTPADNE TOPLINE U PROCESNIM POSTROJENJIMA PUTEM POSTOJEĆIH ENERGETSKIH INSTALACIJA Sažetak U radu je prikazan nov postupak - patentirano rješenje - za iskorištavanje otpadne topline niske temperature, na lokacijama procesne industrije koje u svojem sastavu imaju parna energetska postrojenja za proizvodnju električne energije. Postupak se temelji na mogućnosti razmjene energije između različitih procesnih jedinica po procesnim tokovima, tako da se unosom otpadne topline na jednom mjestu supstituira potrošnja primarnog energetskog medija - vodene pare - na drugom mjestu. Na taj se način može iskoristiti energija viših parametara akumulirana u još uvijek radno sposobnoj vodenoj pari za dodatnu ekspanziju na postojećoj parnoj turbini u sklopu parnog energetskog postrojenja dotične lokacije. Tako je moguće kontinuirano proizvoditi dodatnu električnu energiju putem postojećeg električnog generatora ili smanjiti potrošnju goriva na kotlovskom postrojenju dotične lokacije. Ukoliko se ovim postupkom može osigurati više radno sposobne vodene pare od količine koju može preraditi postojeća parna turbina, onda bi se ona mogla iskoristiti na novoj manjoj turbini, koja bi se dogradila s druge strane električnog generatora tako da s postojećom čini njegovu jedinstvenu pogonsku grupu pomoću koje bi se opet proizvodila dodatna električna energija na račun iskorištavanja otpadne topline. Obje prethodno spomenute varijante naznačene su na procesnom dijagramu na slici 1. koja je sastavni dio ovog rada, dok će se detaljnije predstaviti samo prva, i to za konkretnu lokaciju s potencijalom racionalizacije energije izraženom putem toplinske snage u visini od oko (11 MW t ). Osnovna značajka ove inovacije je u tome što je za njenu primjenu potrebno minimalno kapitalno ulaganje, budući da bi se uz postojeće energetske instalacije koristilo veoma malo dodatne nove opreme! WASTE HEAT EXPLOITATION IN PROCESSING PLANTS USING EXISTING POWER INSTALLATIONS Abstract The paper reviews a new procedure - patent - for the exploitation of low-temperature waste heat in processing plants that consist of steam power installations for the generation of electric energy. The procedure is based on the energy exchange among different processing units, divided into processing stages, so that the input of waste heat at one point substitutes for the consumption of the primary energy medium - steam - at another point. This enables the utilisation of higher parameter energy accumulated from the, still operationally capable, steam, for the additional expansion on the existing steam turbine within a steam installation.should this procedure secure a larger quantity of usable steam compared to the quantities processed by the existing steam turbine, then it 283
could be utilised on a new, smaller turbine, which would be built into the other side of the generator, so that it made a unique operational group with the existing one. This would enable the generation of additional electric energy by means of utilising waste heat. Both above mentioned variants can be seen on the process diagram, Figure 1, which is an essential part of this report, while only the first one will be presented in detail for a particular location with a potential energy rationalisation expressed through heat power of around 11 MWt. The main characteristic of this innovation is that its implementation involves minimum investments, as little new equipment would be used with the existing power installations. 1.UVOD Poznato je da je Vlada Republike Hrvatske 1998. godine uredbom potvrdila Protokol o energetskoj efikasnosti i pripadajućim problemima okoliša, kao i da je među ciljevima strateškog razvitka energetskog sektora na prvom mjestu zacrtano povećanje energetske efikasnosti. Isto tako, Nacionalnim energetskim programom MIEE (Mreža industrijske energetske efikasnosti) planirano je povećanje energetske efikasnosti u industrijskim postrojenjima. U tom kontekstu iskorištavanje otpadne topline u procesnim postrojenjima može polučiti značajne ekonomske efekte - kako u pogledu smanjivanja troškova proizvodnje po jedinici proizvoda, tako i pogledu poticanja privrednih aktivnosti kod subjekata koji se bave racionalizacijom energije. Da bi se pokrenula praktična realizacija ovakvih i sličnih projekata iz oblasti racionalizacije energije, pored tehničke inicijative autora i konzistentnosti rješenja, trebala bi postojati i zakonska regulativa koju bi morali poštivati privredni subjekti na lokacijama kojima su namijenjeni! U tom kontekstu zanimljivo je spomenuti da je čak i u bivšem sustavu u Zakonu o otpadnim tvarima (NN br. 42/82) bila propisana obveza postupanja s neiskorištenom energijom. Tako je u čl. 19 bilo izričito navedeno da organizacije udruženog rada i druge kod kojih u proizvodnim i energetskim postrojenjima nastaje otpadna toplina, imaju obvezu da o njoj vode evidenciju - kako o vrsti tako i količini - te da izrade programe njenog iskorištavanja u svojim proizvodnim procesima ili u suradnji s drugim korisnicima. No, donošenje zakona na ovim prostorima je jedno, a njihovo poštivanje drugo! Znači, da bi se promijenilo stanje u odnosu na prijašnje, strukture aktualne vlasti morale bi pronaći način i osigurati primjenu zakonskih propisa u toj oblasti, budući da je racionalizacija energije pitanje od šireg društvenog interesa. Imajući u vidu prethodne navode u nastavku će se detaljnije obrazložiti tehnička inicijativa ovog rada da bi se primjena novog postupka učinila privlačnom potencijalnim investitorima, budući da je i on u kategoriji takvih koji potvrđuju poznato načelo da je ulaganje u racionalizaciju energije ulog s najvećim kamatama. 2. OPIS POSTUPKA 2.1. Tehnički problem Tehnički problem je primjena novog postupka za iskorištavanje otpadne topline u procesnim postrojenjima putem postojećih energetskih instalacija uz što niža kapitalna 284
ulaganja. Postupak se temelji na mogućnosti razmjene energije među različitim procesnim jedinicama po procesnim tokovima tako da se iskoristi otpadna toplina na jednom mjestu da bi se na račun toga smanjila potrošnja primarnog energetskog medija - vodene pare - na drugom mjestu. Ako je ta para još uvijek radno sposobna za ekspanziju, onda bi se pod određenim uvjetima mogla koristiti za kontinuiranu proizvodnju dodatne električne energije putem postojećih energetskih instalacija. U nastavku će se detaljnije izložiti bit novog postupka..16/ 14, Slika 1. Procesni dijagram - univerzalno rješenje 2.2. Izlaganje biti postupka Novi postupak prikazan je na procesnom dijagramu na slici 1. na kojoj su naznačene obje karakteristične varijante. Funkcija pozicioniranih sklopova je sljedeća: Na poz. (1) označeni su produkti izgaranja (dimni plinovi) s procesnih peći koje se otplinjavaju u okolinu preko ventilatora na poz. (2) putem kanala (3) i zajedničkog tvorničkog dimnjaka (7). Na poz. (16) označena je akumulacija dodatne demineralizirane vode koja se kontinuirano dodaje u procesnim postrojenjima petrokemijske i rafinerijske industrije. Na poz. (18) označeni su kondenzatori izrađene vodene pare s kondenzacijskih turbina koje služe za izravan pogon radnih strojeva. Kondenzatori su vakuumski i u njima se formira tzv. "hladni kondenzat". Na poz. (19) je spremnik napojne vode s otplinjačem u kojem se simbolično obavlja otplinjavanje svih hladnih kondenzata i ukupne količine dodatne demineralizirane vode prije akumuliranja u spremniku i doziranja u procese. Otplinjavanje se obavlja vodenom parom zagrijavanjem do temperature oko (105 C) radi uklanjanja kisika i ostalih plinova da bi se spriječila korozija u postojećim 285
procesnim uređajima. Na poz. (9) je postojeći električni generator, a na poz. (10) kondenzacijska parna turbina koja ga pogoni. Ta turbina opskrbljuje se svježom parom iz kotlovskog postrojenja putem parovoda (8). Na poz. (11) je turbinski kondenzator postojeće parne turbine. Zajednički tvornički kolektor niskotlačne vodene pare naznačen je poz. (13). U klasičnom načinu rada proces je takav da se hladni kondenzati i dodatna demineralizirana voda izravno dopremaju pumpnim agregatima (17) i (14) u otplinjač spremnika napojne vode (19), gdje ih se otplinjava vodenom parom iz kolektora (13). Punjenje toga kolektora može biti iz reguliranog oduzimanja postojeće parne turbine (10), reduciranjem s višeg pritiska putem prigušnih ventila s protutlačnih parnih turbina ili sekundarnog procesa u nekom proizvodnom pogonu. Novi postupak je u tome da se na putu produkata izgaranja u kanalu (3) postavi zaporni organ (6) kojim bi se oni usmjerili u dograđeni specijalni zagrijao hladnih kondenzata i dodatne demineralizirane vode (5). Na taj način oni bi se dogrijali na višu temperaturu od one koju su imali kod izravnog doziranja u otplinjač spremnika (19). Poslije toga ništa više ne bi bilo kao prije stoga što bi se u zajedničkom tvorničkom kolektoru (13) smanjila potreba za niskotlačnom vodenom parom. Suvišak ove pare lako bi se regulirao ukoliko ona potječe od reguliranog oduzimanja s postojeće parne turbine, budući da bi mogla produžiti ekspanziju do kondenzatorskog pritiska, čime bi se kod iste efektivne snage električnog generatora smanjila potrošnja goriva na kotlovskom postrojenju postojećeg energetskog objekta. Ukoliko bi višak niskotlačne pare bio iz protutlaka turbina koje izravno pogone radne strojeve, ili pak iz sekundarnog procesa nekog proizvodnog pogona, onda bi se ona mogla odvesti na dodatnu ekspanziju u postojeću parnu turbinu (10), na mjestu odgovarajućeg pritiska - koje je naznačeno strelicom (S). U takvom režimu rada postojeći turboelektrični generator proizvodio bi dodatnu električnu energiju na račun iskorištavanja otpadne topline produkata izgaranja koja u klasičnom načinu rada odlazi u okolinu! Znači, uz održavanje iste efektivne električne snage postojećeg turbogeneratora, opet bi kotlovsko postrojenje na dotičnoj lokaciji trošilo manje pogonskog goriva. Zanimljivo je napomenuti da bi se u ovom režimu rada mogao povećati toplinski stupanj korisnosti postojeće turbine (10) na lokacijama koje u postojećem energetskom objektu proizvode električnu energiju samo za svoje potrebe budući da im nije isplativa proizvodnja za republički energetski sustav u kondenzacijskom režimu rada, iako za to postoje kapaciteti. Povećanje toplinskog stupnja korisnosti postojeće parne turbine slijedilo bi automatski nakon povećanja snage na račun iskorištavanja otpadne topline, tako da bi se i osnovna električna energija proizvodila po nižoj proizvodnoj cijeni. Ukoliko bi se ovim postupkom, ili nekom drugom racionalizacijom, ostvarila veća količina suvišne niskotlačne vodene pare od one koju bio mogla preraditi postojeća parna turbina (10), onda bi se s druge strane električnog generatora mogla dograditi manja niskotlačna turbina (20) bez regulacije - preko jednosmjerne spojnice - u kojoj bi se prerađivala ta para. U takvoj varijanti obje turbine činile bi jedinstvenu pogonsku skupinu postojećeg električnog generatora (9), putem koje bi se opet proizvodila dodatna električna energija na račun iskorištavanja otpadne topline. U ovakvom režimu rada regulaciju snage održavala bi samo postojeća turbina (10), dok bi novodograđena mala turbina (20) iskorištavala trenutno raspoloživi potencijal. Uravnoteženje bilance po liniji kondenzata kod ove varijante ostvarilo bi se putem regulacijskih ventila koje označava poz. (12), dok bi se funkcija otplinjača iznad spremnika napojne vode (19) održavala putem regulatora temperature (4) na liniji dodatne vode i hladnog kondenzata poslije zagrijavanja u 286
specijalnom zagrijaču (5). Pogonska turbinska grupa štitila bi se tako da bi sve turbinske zaštite postojeće turbine isključivale dovod pare za malu turbinu. Turbinske zaštite male novodograđene turbine (20) isključivale bi iz rada samo nju. Ostvarivanjem veze između nove male turbine i električnog generatora putem jednosmjerne spojnice isključila bi se mogućnost pregrijavanja male turbine u slučaju njenog ispada dok je u radu postojeća turbina. Na taj način se ničim ne bi narušila pogonska spremnost parnog postrojenja koje služi za autonomnu proizvodnju električne energije na dotičnoj lokaciji. Prednost ovakvog povezivanja postojeće i nove opreme je očita - počev od korištenja već postojećih pomoćnih instalacija, pa do pogonske kontrole istog osoblja zaduženog za postojeće energetsko postrojenje. 2.3. Specifičnosti postupka Postupak je specifičan prije svega zbog toga što je primjenjiv i za racionalno korištenje otpadne topline niže temperaturne razine. To se može postići na račun napajanja specijalnog zagrijača (5) neotplinutom dodatnom demineraliziranom vodom i hladnim kondenzatom. Na taj način stimulira se srednja temperaturna razlika (At) između produkata izgaranja i spomenutih medija na višoj vrijednosti u odnosu na klasičan postupak u kojem se prvo ide na termičko otplinjavanje na temperaturi (105 C), a potom u proces. Budući da bi se zagrijač (5) praktično napajao hladnim medijem koji je neotplinut, on mora biti izrađen od nekorodirajućeg materijala. Da bi se hladni kondenzati i dodatna demineralizirana voda u njemu zagrijavali do temperature niže od (10CTC) - zbog održavanja funkcija termičkog oplinjača iznad spremnika (19) - on bi praktično bio bez pritiska - osim nešto malo na ulazu zbog održavanja cirkulacije crpkama (15). S obzirom na takve uvjete i velike brzine strujanja preko ogrjevnih površina zagrijača (5), one bi se načinile od malo orebrenih duraluminijskih cijevi. Takva konstrukcija, uz već spomenuto stimuliranje srednje temperaturne razlike do vrijednosti od oko (At=100 C), omogućila bi iskorištavanje čak i do 50% otpadne topline temperature od oko (200 C). Ukoliko bi produkti izgaranja bili s procesnih peći pogonjenih tekućim gorivom, efikasnost bi ovisila o količini sumpora i granici pothlađivanja, koja bi bila znatno viša u odnosu na onu koja se može planirati kod procesnih uređaja pogonjenih prirodnim plinom - zbog više temperature rasista sumporne kiseline. 3. TEHNO-EKONOMSKI EFEKTI Tehno-ekonomski efekti iskorištavanja otpadne topline ovim postupkom ovise o varijanti i lokaciji na kojoj bi se on primijenio. Na ovome mjestu iznijet će se rezultati analize varijante s privodom niskotlačne pare na postojeću turbinu - koju je moguće realizirati na lokaciji poduzeća Petrokemija, d.o.o., iz Kutine, prema procesnom dijagramu na slici 1. Otpadna toplina unijela bi se u proces s tehnološkog uređaja pod nazivom Reforming na pogonu amonijaka, koji se pogoni s prirodnim plinom u količini od oko 25.000 m 3 /h čijim izgaranjem nastaje oko 330 t/h dimnih plinova - koji na izlazu u okolinu imaju temperaturu od oko 220 C. U tvornici umjetnih gnojiva troši se više dodatne vode za cirkuliranje hladnog kondenzata od količine potrebne za realizaciju ovog postupka, u kojem je moguće bez problema pothladiti produkte izgaranja za 120 C. Na taj način bi se u proces unijela toplinska snaga od oko 11 MW t, na račun koje bi se iz sekundarnog 287
procesa pogona amonijaka oslobodilo oko 4 kg/s radno sposobne vodene pare pritiska p=4 bar i t=280 C. Energetska valorizacija te pare putem postojeće parne turbine (10) ostvarila bi se ekspanzijom do pritiska p=0,1 bar, koji se održava u njenom kondenzatoru. Toplinski pad koji bi ona ostvarila bio bi oko h=625 kj/kg. Povećanje efektivne električne snage na postojećem električnom generatoru iznosilo bi oko 2,5 MW e. Povećanje vlastite potrošnje na račun dodatnih otpora u zagrijaču (5), na strani produkata izgaranja i tekuće faze bilo bi manje od 100 kw e. Ukoliko bi se s HEP-om ugovorila povoljnija cijena električne energije, na račun stimuliranja racionalizacije energije iznad vrijednosti tarife za "struju" proizvedenu u kondenzacijskom režimu rada - recimo u vrijednosti od oko 0,08 DM/kWh - financijski efekt ove racionalizacije u toku 8.000 h/g iznosio bi oko 1,6 milijuna DM. No, to nije sve! Ostalim racionalizacijama - o kojima se na ovome mjestu neće govoriti - moguće je osigurati veće količine niskotlačne vodene pare i preraditi je na postojećoj turbini, tako da se po autorovoj procjeni može doći blizu granice snage od oko (5 MW e ), koju HEP preuzima u svako vrijeme, a vjerojatno bi je stimulirao i višom cijenom u skladu s intencijom strateškog razvitka energetskog sektora Republike Hrvatske. Cijena realizacije ovog postupka uglavnom bi se odnosila na specijalni zagrijač (5), budući da je sve ostalo sekundarnog značenja. Njegova veličina ovisila bi o konstrukciji i profilu orebrenja na duraluminijskim cijevima čime bi se utjecalo na koeficijent prolaza topline (k). lako je to predmet detaljnog toplinskog proračuna, radi orijentacije navest će se podatak da bi uz njegovu vrijednost od oko k=80 W/m 2 C, ostvarenom prosječno kroz m 2 unutarnje glatke strane duraluminijskih cijevi, ta površina bi bila u rangu neisparavajućeg ekonomajzera s obostrano glatkim cijevima srednjetlačnog parnog kotla kapaciteta (100 t/h) svježe pare, u kojem se prenosi otprilike prenosi ista toplinska snaga. 4. ZAKLJUČAK Iz prethodnog obrazloženja vidljivo je da bi primjena ovog postupka bila moguća i privlačna s tehno-ekonomskog aspekta, pogotovo što bi se, prema procjeni autora, uložena sredstva u dodatnu opremu mogla otplatiti racionalizacijom energije u roku od godinu dana. Potencijal racionalizacije energije ovim postupkom u procesnim postrojenjima privrednih subjekata u RH mogao bi se odrediti nakon provedenog industrijskog istraživanja. U tom kontekstu naročito su perspektivne lokacije rafinerijskih postrojenja u čijim procesnim tokovima cirkuliraju bar deset puta veće količine dodatne demineralizirane vode i otpadne topline od onih koje su navedene za konkretnu lokaciju. LITERATURA [1] G. Granić i autori: Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske - nacrt, Ministarstvo gospodarstva, El "Hrvoje Požar", Zagreb 1998. [2] M. Kamenski: Nacionalni energetski programi, Bilten Ministarstva gospodarstva br. 2, Zagreb 1997. [3] Narodne novine, br. 42/82: Zakon o postupanju s otpadnim tvarima. [4] G. Granić i B. Jelavić: Reforma energetskog sektora kao pretpostavka Kyoto protokola, Zbornik radova HED-a, Zagreb 1998. [5] I. Bilandžija: Elektrana na otpadnu toplinu putem ORC procesa s ekspanzijskim protutlačnim strojem - patentna prijava - Hrvatski patentni glasnik br. 1, Zagreb 1996. 288