Pemulihan Panas Limbah

Pemulihan Limbah Panas

Panas buangan adalah panas yang dihasilkan dalam suatu proses karena pembakaran bahan bakar atau karena reaksi kimia dan kemudian dibuang ke lingkungan tanpa dimanfaatkan secara praktis. Sumber limbah panas termasuk gas pembakaran panas yang dibuang ke atmosfer, gas proses, kehilangan konduktif, konvektif, dan radiasi dari peralatan dan produk panas yang meninggalkan berbagai proses industri (kokas panas, logam panas, baja cair, dan produk canai panas, dll.) , dan perpindahan panas dari permukaan peralatan panas (panas dipindahkan ke air pendingin).

Pemulihan panas limbah terdiri dari penangkapan dan penggunaan kembali panas limbah dari proses industri untuk pemanasan atau untuk menghasilkan pekerjaan mekanik atau listrik. Penggunaan umum termasuk pemanasan awal udara pembakaran, pemanasan awal bahan bakar gas, pemanasan awal air umpan boiler, pemanasan awal bahan baku, pembangkitan uap proses, dan produksi uap untuk pembangkit listrik dll. Ide dasar di balik pemulihan panas buangan adalah mencoba untuk memulihkan jumlah panas maksimum di pabrik dan menggunakannya kembali sebanyak mungkin, bukan hanya melepaskannya ke lingkungan (udara atau sungai terdekat).

Limbah panas adalah intrinsik untuk semua proses manufaktur. Selama proses manufaktur industri, sekitar 20% hingga 50% dari energi yang dikonsumsi pada akhirnya hilang melalui limbah panas yang terkandung dalam aliran gas dan cairan panas, serta melalui konduksi panas, konveksi, dan radiasi dari permukaan peralatan panas. serta dari produk yang dipanaskan. Pemulihan panas limbah adalah pendekatan alternatif yang berharga untuk meningkatkan peningkatan efisiensi energi secara keseluruhan dari tungku industri. Efisiensi energi yang dapat dicapai melalui pemanfaatan kembali limbah panas biasanya berkisar antara 10% hingga 50%.

Fakta penting bukanlah jumlah panas, melainkan nilainya. Mekanisme untuk memulihkan panas yang tidak terpakai tergantung pada suhu cairan limbah panas dan ekonomi yang terlibat. Teknologi pemulihan panas limbah sering kali mengurangi biaya pengoperasian fasilitas dengan meningkatkan produktivitas energinya. Panas limbah yang ditangkap dan digunakan kembali adalah pengganti bebas emisi untuk bahan bakar atau listrik yang dibeli mahal.

Gambar 1 menunjukkan aliran energi tipikal tanpa dan dengan pemulihan panas.

Gbr 1 Aliran energi tipikal tanpa dan dengan pemulihan panas

Tiga komponen penting yang diperlukan untuk pemulihan limbah panas adalah (i) sumber panas limbah yang dapat diakses seperti knalpot pembakaran, knalpot proses, gas panas dari tungku, air menara pendingin dll., (ii) teknologi pemulihan seperti regenerator , recuperator, economizer, boiler limbah panas, generator termoelektrik dll. , dan (iii) penggunaan energi yang dipulihkan seperti pemanasan awal air umpan boiler, pemanasan awal bahan baku dan udara pembakaran, pembangkitan uap atau/dan tenaga listrik, dan pemanasan awal gas pembakaran dengan nilai kalori rendah seperti gas tanur sembur dll.

Peralatan pemulihan panas limbah

  Ada beberapa peralatan pemulihan panas yang digunakan di pabrik baja. Utama di antara mereka diberikan di bawah ini. Penukar panas paling sering digunakan untuk mentransfer panas dari gas buang pembakaran ke udara pembakaran yang memasuki tungku. Karena udara pembakaran yang dipanaskan sebelumnya memasuki tungku pada suhu yang lebih tinggi, lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk disuplai oleh bahan bakar. Teknologi umum yang digunakan untuk pemanasan awal udara diberikan di bawah ini.

• Recuperator – Recuperator memulihkan panas limbah gas buang dalam aplikasi suhu sedang hingga tinggi. Recuperator dapat didasarkan pada prinsip perpindahan panas secara radiasi, konveksi, atau kombinasi. Recuperator dibuat dari bahan logam atau keramik. Recuperator logam digunakan dalam aplikasi dengan suhu di bawah 1050 derajat C, sedangkan pemulihan panas pada suhu yang lebih tinggi lebih cocok untuk recuperator tabung keramik yang dapat beroperasi dengan suhu sisi panas setinggi 1500 derajat C dan suhu sisi dingin sekitar 950 derajat C.
• Regenerator – Regenerator terdiri dari dua ruang 'pemeriksaan' bata yang mengalirkan udara panas dan dingin secara bergantian. Saat knalpot pembakaran melewati satu ruang, batu bata menyerap panas dari gas pembakaran dan terjadi peningkatan suhu. Setelah batu bata mengambil panas, alirannya kemudian diubah sehingga udara pembakaran yang masuk melewati pekerjaan pemeriksa panas, yang mentransfer panas ke udara pembakaran yang masuk ke tungku. Minimal dua ruang digunakan sehingga sementara satu menyerap panas dari gas buang, yang lain mentransfer panas ke udara pembakaran. Arah aliran udara diubah sekitar interval waktu yang tetap. Regenerator secara khusus cocok untuk aplikasi suhu tinggi dengan knalpot kotor. Salah satu kelemahan utama adalah ukuran besar dan biaya modal, yang jauh lebih besar daripada biaya recuperator.
• Preheater udara pasif – Ini adalah perangkat pemulihan panas gas ke gas untuk aplikasi suhu rendah hingga sedang di mana kontaminasi silang antara aliran gas harus dicegah. Preheater pasif biasanya terdiri dari dua jenis yaitu (i) jenis pelat dan (ii) jenis pipa panas. Preheater tipe pelat terdiri dari beberapa pelat paralel yang membuat saluran terpisah untuk aliran gas panas dan dingin. Aliran panas dan dingin bergantian antara pelat dan memungkinkan area yang signifikan untuk perpindahan panas. Penukar panas pipa panas terdiri dari beberapa pipa dengan ujung tertutup. Setiap pipa memiliki struktur sumbu kapiler yang memfasilitasi pergerakan fluida kerja antara ujung pipa yang panas dan dingin. Gas panas melewati salah satu ujung pipa panas, menyebabkan fluida kerja di dalam pipa menguap. Gradien tekanan di sepanjang pipa menyebabkan uap panas bergerak ke ujung pipa yang lain, di mana uap mengembun dan mentransfer panas ke gas dingin. Kondensat kemudian berputar kembali ke sisi pipa yang panas melalui aksi kapiler.
• Recuperative atau regenerative burner – Burner yang menggabungkan sistem recuperative atau regenerative lebih sederhana dan lebih kompak dalam desain dan konstruksi daripada recuperator atau regenerator yang berdiri sendiri. Sistem ini memberikan peningkatan efisiensi energi dibandingkan dengan pembakar yang beroperasi dengan udara sekitar. Pembakar pemulihan diri menggabungkan permukaan pertukaran panas sebagai bagian dari desain bodi burner untuk menangkap energi dari gas buang yang keluar, yang melewati kembali melalui bodi. Pembakar regeneratif sendiri melewatkan gas buang melalui tubuh pembakar ke wadah media tahan api dan beroperasi berpasangan dengan cara yang mirip dengan regenerator. Biasanya, sistem pembakar penyembuhan memiliki area pertukaran panas yang lebih sedikit dan sistem pembakar regeneratif bermassa lebih rendah daripada unit yang berdiri sendiri. Oleh karena itu, pemulihan energinya lebih rendah tetapi biayanya yang lebih rendah dan kemudahan pemasangan kembali menjadikannya alternatif yang menarik untuk pemulihan energi.
• Penukar panas shell and tube – Ketika media yang mengandung panas buangan adalah cairan atau uap yang memanaskan cairan lain, maka penukar panas shell and tube biasanya digunakan karena kedua jalur harus disegel untuk menampung tekanan cairan masing-masing . Cangkang berisi bundel tabung, dan biasanya baffle internal, untuk mengarahkan cairan dalam cangkang ke atas tabung dalam beberapa lintasan. Cangkang secara inheren lebih lemah dari tabung, sehingga fluida bertekanan tinggi disirkulasikan di dalam tabung sedangkan fluida bertekanan rendah mengalir melalui cangkang. Ketika uap mengandung panas buang, biasanya mengembun, melepaskan panas latennya ke cairan yang dipanaskan. Dalam aplikasi ini, uap hampir selalu terkandung di dalam cangkang. Jika kebalikannya dicoba, kondensasi uap dalam tabung paralel berdiameter kecil menyebabkan ketidakstabilan aliran. Penukar panas tabung dan cangkang tersedia dalam berbagai ukuran standar dengan banyak kombinasi bahan untuk tabung dan cangkang.
• Penukar panas atau economizer tabung bersirip – Penukar panas tabung bersirip digunakan untuk memulihkan panas dari gas buang suhu rendah hingga sedang untuk memanaskan cairan. Aplikasi termasuk pemanasan awal air umpan boiler dan cairan proses panas dll. Tabung bersirip terdiri dari tabung bundar dengan sirip terpasang yang memaksimalkan luas permukaan dan laju perpindahan panas. Cairan mengalir melalui tabung dan menerima panas dari gas panas yang mengalir melintasi tabung. Penukar tabung bersirip di mana gas buang boiler digunakan untuk pemanasan awal air umpan umumnya disebut sebagai economizer boiler.
• Waste heat boiler – Waste heat boiler adalah boiler tabung air yang menggunakan gas buang bertemperatur sedang hingga tinggi untuk menghasilkan uap. Boiler panas limbah tersedia dalam berbagai kapasitas yang memungkinkan pemasukan gas mulai dari 30 hingga 25000 Cum / menit. Dalam kasus di mana panas buangan tidak cukup untuk menghasilkan tingkat uap yang diinginkan, pembakar tambahan atau pembakar susulan biasanya ditambahkan untuk memperoleh keluaran uap yang lebih tinggi. Uap dapat diproduksi untuk tujuan proses atau untuk pembangkit listrik. Pembangkitan uap superheated biasanya membutuhkan penambahan superheater eksternal ke boiler.
• Pemanasan awal beban – Ini mengacu pada penggunaan panas buangan yang keluar dari sistem untuk pemanasan awal beban yang masuk ke sistem. Contoh paling umum adalah pemanasan awal air umpan boiler, di mana economizer mentransfer panas dari gas buang pembakaran panas ke air yang masuk ke boiler. Aplikasi lain memanfaatkan perpindahan panas langsung antara gas buang pembakaran dan material padat yang memasuki tungku yang berbeda.
• Pompa panas – Panas buangan terkadang tersedia pada suhu yang lebih rendah dari kebutuhan beban potensial. Dalam kasus seperti itu, peningkatan limbah panas diperlukan. peningkatan limbah panas mengacu pada meningkatkan tingkat energi aliran limbah panas sehingga dapat melakukan fungsi yang berguna yang sebaliknya dapat dicapai. Hal ini dicapai melalui penggunaan pompa panas atau dengan kompresi uap langsung di mana limbah panas tersedia dalam bentuk uap. Mayoritas pompa panas bekerja berdasarkan prinsip siklus kompresi uap. Dalam siklus ini, zat yang bersirkulasi secara fisik dipisahkan dari sumber (panas buangan, dengan suhu Tin) dan aliran pengguna (panas yang akan digunakan dalam proses, Tout), dan digunakan kembali secara siklus, oleh karena itu disebut siklus tertutup. pompa panas.

Manfaat limbah panas secara garis besar dapat diklasifikasikan dalam dua kategori, yaitu (i) manfaat langsung, (ii) manfaat tidak langsung.

• Manfaat langsung dicerminkan oleh pengurangan konsumsi sumber daya dan utilitas dan juga biaya operasi, karena pemulihan limbah panas meningkatkan produktivitas energi proses dan memiliki efek langsung pada efisiensi proses. Dalam skenario perubahan iklim global saat ini, manfaat terbesar dari pemanfaatan kembali limbah panas adalah sebagai sumber energi bebas gas rumah kaca.
• Manfaat tidak langsung dari pemanfaatan kembali limbah panas adalah pengurangan pencemaran lingkungan, pengurangan konsumsi energi untuk penggunaan tambahan dan pengurangan ukuran peralatan. Pemulihan limbah panas mengurangi konsumsi bahan bakar, yang mengarah pada pengurangan gas buang yang dihasilkan. Hal ini menghasilkan pengurangan ukuran peralatan dari semua peralatan penanganan bahan bakar gas seperti kipas, cerobong, saluran, burner, dll. Pengurangan ukuran peralatan memberikan manfaat tambahan berupa pengurangan konsumsi energi tambahan seperti listrik untuk kipas, pompa, dll.

Aspek lain dari sistem pemanfaatan kembali limbah panas adalah perlunya ruang tambahan, modal dan biaya operasi yang perlu dipertanggungjawabkan dari manfaat yang diperoleh dalam hal pemulihan panas.

Teknologi pemulihan panas limbah, meskipun saat ini digunakan dalam berbagai tingkat di banyak tempat di pabrik baja, menghadapi hambatan teknis dan ekonomi yang menghambat aplikasinya yang lebih luas. Meskipun banyak teknologi telah dikembangkan dengan baik untuk pemanfaatan kembali limbah panas (misalnya recuperator dan regenerator, dll.), namun ada tantangan bahwa teknologi ini tidak selalu ekonomis untuk aplikasi tertentu (misalnya aplikasi dengan aliran pembuangan kotor).

Ada banyak hambatan yang berdampak pada ekonomi dan efektivitas peralatan pemulihan panas dan menghambat pemasangannya yang lebih luas. Banyak dari penghalang ini saling terkait, tetapi secara umum dapat dikategorikan sebagai terkait dengan biaya, batasan suhu, komposisi kimia, spesifikasi aplikasi, dan tidak dapat diaksesnya/transportasi sumber panas.

Praktek saat ini yang diadopsi untuk pemulihan panas limbah menunjukkan bahwa panas limbah biasanya diperoleh kembali dari sumber panas limbah suhu tinggi yang bersih dalam sistem berkapasitas besar. Oleh karena itu, ada peluang yang tersedia untuk mengoptimalkan sistem yang ada, mengembangkan teknologi untuk sistem korosif kimia, memulihkan panas dari sumber panas non-fluida, dan memulihkan panas limbah suhu rendah.

Sementara ekonomi sering membatasi kelayakan pemulihan panas limbah suhu rendah, ada berbagai aplikasi di mana limbah panas kelas rendah telah dipulihkan secara efektif untuk digunakan di fasilitas industri. Sejumlah besar panas limbah industri hanya tersedia dalam kisaran suhu rendah. Sebagai contoh, sistem pembakaran seperti boiler sering menggunakan teknologi pemulihan yang mengeluarkan gas dalam kisaran suhu 120 derajat C hingga 150 derajat C. Selain itu, sejumlah besar limbah panas dapat ditemukan di air pendingin industri dan udara pendingin. Sebuah pabrik baja terintegrasi di Jepang telah memasang pembangkit listrik dengan kapasitas 3,5 MW menggunakan air pendingin hanya pada 98 derajat C.

Dalam kasus gas buang pembakaran, panas yang substansial dapat diperoleh kembali jika uap air yang terkandung dalam gas didinginkan ke suhu yang lebih rendah. Batas suhu minimum sekitar 120 derajat C hingga 150 derajat C sering digunakan untuk mencegah air dalam gas buang mengembun dan mengendapkan zat korosif pada permukaan penukar panas. Namun, pendinginan gas buang lebih lanjut dapat secara signifikan meningkatkan pemulihan panas dengan memungkinkan panas laten penguapan untuk dipulihkan. Panas laten ini terdiri dari sebagian besar energi yang terkandung dalam gas buang. Teknologi yang dapat meminimalkan serangan bahan kimia sambil mendinginkan gas buang di bawah titik kondensasi dapat mencapai peningkatan efisiensi energi yang signifikan melalui pemulihan panas laten penguapan.

Saat ini pemulihan panas suhu rendah menghadapi setidaknya tiga tantangan yaitu (i) korosi permukaan penukar panas, (ii) permukaan pertukaran panas besar yang diperlukan untuk perpindahan panas, dan (iii) menemukan penggunaan panas suhu rendah.

Tersedia teknologi yang dapat mendinginkan gas di bawah suhu titik embun untuk memulihkan panas limbah suhu rendah. Teknologi ini termasuk deep economizers, pemulihan kondensasi kontak tidak langsung, pemulihan kondensasi kontak langsung, dan kondensor membran transpor yang dikembangkan baru-baru ini. Komersialisasi teknologi ini telah dibatasi karena biaya tinggi dan karena fasilitas tidak memiliki penggunaan akhir untuk panas yang diperoleh kembali. Ketika fasilitas kekurangan penggunaan akhir untuk limbah panas, beberapa telah menemukan cara lain untuk pemulihan, termasuk pompa panas dan pembangkit listrik suhu rendah. Penggunaan teknologi ini juga sering dibatasi oleh kendala ekonomi.