Pengemasan Panas Buangan Efektif untuk Operasi Industri Berkelanjutan

Panas buang adalah panas yang dihasilkan dalam proses karena pembakaran bahan bakar atau karena reaksi kimia dan kemudian dibuang ke lingkungan tanpa dimanfaatkan secara praktis. Sumber panas buang meliputi gas pembakaran panas yang dibuang ke atmosfer, gas off proses, kerugian konduktif, konvektif, dan radiasi dari peralatan dan produk yang dipanaskan yang meninggalkan berbagai proses industri (koks panas, logam panas, baja cair, dan produk bergulir panas dll.), dan transfer panas dari permukaan peralatan panas (panas yang ditransfer ke air pendingin).

Pengemasan panas buang terdiri dari tangkapan dan penggunaan ulang panas buang dari proses industri untuk pemanasan atau untuk menghasilkan kerja mekanis atau listrik. Penggunaan umum meliputi pram panas udara pembakaran, pram panas gas bahan bakar, pram panas air pakan boiler, pram panas bahan baku, generasi uap proses, dan produksi uap untuk generasi daya dll. Ide dasar di balik pengemasan panas buang adalah untuk mencoba memulihkan jumlah panas maksimum di pabrik dan menggunakannya sebanyak mungkin, daripada hanya melepaskannya ke lingkungan (udara atau sungai dekat).

Panas buang adalah intrik pada semua proses manufaktur. Selama proses manufaktur industri, sekitar 20% hingga 50% energi yang dikonsumsi pada akhirnya hilang melalui panas buang yang terkandung dalam aliran gas dan cairan panas, serta melalui konduksi, konveksi, dan radiasi panas dari permukaan peralatan panas serta dari produk yang dipanaskan. Pengemasan panas buang adalah pendekatan alternatif yang berharga untuk meningkatkan efisiensi energi keseluruhan tungku industri. Efisiensi energi yang dapat dicapai melalui pengemasan panas buang biasanya dalam rentang 10% hingga 50%.

Fakta penting bukan jumlah panas, melainkan nilainya. Mekanisme untuk memulihkan panas yang tidak terpakai tergantung pada suhu fluida panas buang dan ekonomi yang terlibat. Teknologi pengemasan panas buang sering mengurangi biaya operasional fasilitas dengan meningkatkan produktivitas energi mereka. Panas buang yang tertangkap dan digunakan ulang adalah pengganti bebas emisi untuk bahan bakar atau listrik yang mahal yang dibeli.

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

Gambar 1 Aliran energi tipis tanpa dan dengan pemulihan panas

Tiga komponen penting yang diperlukan untuk pengemasan panas buang adalah (i) sumber panas buang yang dapat diakses seperti gas buang pembakaran, gas buang proses, gas panas dari tungku, air menara pendingin dll., (ii) teknologi pemulihan seperti regenerasi, pemulih panas, ekononomizer, boiler panas buang, generator termolistrik dll., dan (iii) penggunaan untuk energi yang dipulihkan seperti pram panas air pakan boiler, bahan baku dan pram panas udara pembakaran, generasi uap dan/atau daya listrik, dan pram panas gas pembakaran nilai kalor rendah seperti gas tungku peleburan tinggi dll.

Peralatan Pengemasan Panas Buang

Ada beberapa peralatan pemulihan panas yang digunakan di pabrik baja. Utama di antaranya diberikan di bawah ini. Penukar panas paling umum digunakan untuk mentransfer panas dari gas buang pembakaran ke udara pembakaran yang memasuki tungku. Karena udara pembakaran pram panas memasuki tungku pada suhu yang lebih tinggi, kurang energi yang perlu disuplai oleh bahan bakar. Teknologi umum yang digunakan untuk pram panas udara diberikan di bawah ini.

• Pemulih Panas – Pemulih panas memulihkan panas buang gas buang dalam aplikasi suhu sedang hingga tinggi. Pemulih panas dapat berdasarkan prinsip transfer panas dengan radiasi, konveksi, atau kombinasi. Pemulih panas dibuat dari bahan logam atau keramik. Pemulih panas logam digunakan dalam aplikasi dengan suhu di bawah 1050 derajat C, sementara pemulihan panas pada suhu lebih tinggi lebih sesuai dengan pemulih panas tabung keramik yang dapat beroperasi dengan suhu sisi panas hingga 1500 derajat C dan suhu sisi dingin sekitar 950 derajat C.
• Regenerasi – Regenerasi terdiri dari dua kamar 'checker work' batu bata di mana aliran panas dan dingin bergantian. Saat gas buang pembakaran melewati satu kamar, batu bata menyerap panas dari gas pembakaran dan suhu meningkat. Setelah batu bata mengambil panas, aliran diubah sehingga udara pembakaran masuk melewati checker work panas, yang mentransfer panas ke udara pembakaran yang memasuki tungku. Minimal dua kamar digunakan sehingga sementara satu menyerap panas dari gas buang, yang lain mentransfer panas ke udara pembakaran. Arah aliran udara diubah pada interval waktu tetap. Regenerasi sangat cocok untuk aplikasi suhu tinggi dengan gas buang kotor. Kelemahan utama adalah ukuran besar dan biaya modal, yang secara signifikan lebih besar dari biaya pemulih panas.
• Pram Panas Udara Pasif – Ini adalah perangkat pemulihan panas gas ke gas untuk aplikasi suhu rendah hingga sedang di mana kontaminasi lintas antara aliran gas harus dicegah. Pram panas pasif biasanya dua jenis yaitu (i) tipe plat dan (ii) tipe heat pipe. Pram panas tipe plat terdiri dari beberapa plat paralel yang membuat saluran terpisah untuk aliran gas panas dan dingin. Aliran panas dan dingin bergantian di antara plat dan memungkinkan area yang signifikan untuk transfer panas. Penukar panas heat pipe terdiri dari beberapa tabung dengan ujung yang ditempelkan. Setiap tabung memiliki struktur weler kapiler yang memfasilitasi gerakan fluida kerja di antara ujung panas dan dingin tabung. Gas panas melewati satu ujung heat pipe, menyebabkan fluida kerja di dalam tabung menguap. Gradien tekanan sepanjang tabung menyebabkan uap panas bergerak ke ujung lainnya tabung, di mana uap menguap dan mentransfer panas ke gas dingin. Kondensat kemudian berputar kembali ke sisi panas tabung melalui tindakan kapilerarik.
• Pemangkar Pemulih Panas atau Regeneratif – Pemangkar yang mengintegrasikan sistem pemulih panas atau regeneratif memiliki desain yang lebih sederhana dan lebih kompak dibandingkan pemulih panas atau regenerasi mandiri. Sistem ini menyediakan efisiensi energi yang meningkat dibandingkan pemangkar yang beroperasi dengan udara sekitar. Pemangkar pemulih panas mandiri mengintegrasikan permukaan pertukaran panas sebagai bagian dari desain tubuh pemangkar untuk menangkap energi dari gas buang keluar, yang kembali melalui tubuh. Pemangkar regeneratif mandiri melewatkan gas buang melalui tubuh pemangkar ke dalam kasus media refraktori dan beroperasi dalam pasangan dengan cara yang mirip dengan regenerasi. Biasanya, sistem pemangkar pemulih panas memiliki area pertukaran panas yang lebih kecil dan sistem pemangkar regeneratif memiliki massa lebih rendah dari unit mandiri. Oleh karena itu, pemulihan energi mereka lebih rendah tetapi biaya lebih rendah dan kemudahan retrofitting menjadikan mereka alternatif yang menarik untuk pemulihan energi.
• Penukar Panas Tabung dan Kulit – Ketika medium yang mengandung panas buang adalah cairan atau uap yang memanaskan cairan lain, maka penukar panas tabung dan kulit biasanya digunakan karena kedua jalur harus ditempelkan untuk menahan tekanan fluida masing-masing. Kulit mengikat kumpulan tabung, dan biasanya baffle internal, untuk mengarahkan fluida di dalam kulit melalui tabung dalam beberapa lolos. Kulit secara inherent lebih lemah dari tabung, sehingga fluida tekanan tinggi disirkulasi di dalam tabung sementara fluida tekanan rendah mengalir melalui kulit. Ketika uap mengandung panas buang, biasanya menguap, melepaskan kalor latennya ke cairan yang dipanaskan. Dalam aplikasi ini, uap hampir selalu terkandung dalam kulit. Jika sebaliknya dicoba, kondensasi uap dalam tabung paralel diameter kecil menyebabkan ketidakstabilan aliran. Tabung dan penukar panas kulit tersedia dalam berbagai ukuran standar dengan banyak kombinasi bahan untuk tabung dan kulit.
• Penukar Panas Tabung Berdingin atau Ekononomizer – Penukar panas tabung berdingin digunakan untuk memulihkan panas dari gas buang suhu rendah hingga sedang untuk memanaskan cairan. Aplikasi termasuk pram panas air pakan boiler dan cairan proses panas dll. Tabung berdingin terdiri dari tabung bundar dengan dering yang terpasang yang memaksimalkan permukaan dan laju transfer panas. Cairan mengalir melalui tabung dan menerima panas dari gas panas yang mengalir melintasi tabung. Penukar tabung berdingin di mana gas buang boiler digunakan untuk pram panas air pakan umumnya disebut sebagai ekononomizer boiler.
• Boiler Panas Buang – Boiler panas buang adalah boiler tabung air yang menggunakan gas buang suhu sedang hingga tinggi untuk menghasilkan uap. Boiler panas buang tersedia dalam berbagai kapasitas yang memungkinkan intake gas mulai dari 30 hingga 25000 Cum /min. Dalam kasus di mana panas buang tidak cukup untuk menghasilkan tingkat uap yang diinginkan, pemangkar tambahan atau afterburner biasanya ditambahkan untuk menghasilkan uap yang lebih tinggi. Uap dapat dihasilkan untuk tujuan proses atau untuk generasi daya. Generasi uap superpanas biasanya memerlukan penambahan superheater eksternal ke boiler.
• Pram Panas Beban – Ini merujuk pada penggunaan panas buang yang meninggalkan sistem untuk pram panas beban yang memasuki sistem. Contoh paling umum adalah pram panas air pakan boiler, di mana ekononomizer mentransfer panas dari gas buang pembakaran panas ke air yang memasuki boiler. Aplikasi lain menggunakan transfer panas langsung antara gas buang pembakaran dan bahan padat yang memasuki berbagai tungku.
• Pompa Panas – Kadang-kadang panas buang tersedia pada suhu yang lebih rendah dari persyaratan beban potensial. Dalam hal ini diperlukan peningkatan panas buang. Peningkatan panas buang merujuk pada peningkatan tingkat energi aliran panas buang sehingga dapat melakukan fungsi berguna yang sebaliknya dapat dicapai. Ini dicapai melalui penggunaan pompa panas atau dengan kompresi uap langsung di mana panas buang tersedia dalam bentuk uap. Mayoritas pompa panas bekerja berdasarkan prinsip siklus kompresi uap. Dalam siklus ini, zat yang beredar secara fisik dipisahkan dari sumber (panas buang, dengan suhu Tin) dan pengguna (panas yang akan digunakan dalam proses, Tout) aliran, dan digunakan ulang secara siklus, oleh karena itu disebut pompa panas siklus tertutup.

Manfaat panas buang dapat secara luas diklasifikasikan menjadi dua kategori, yaitu (i) manfaat langsung, (ii) manfaat tidak langsung.

• Manfaat langsung tercermin dalam pengurangan konsumsi sumber daya dan utilitas serta biaya operasional, karena pemulihan panas buang meningkatkan produktivitas energi proses dan memiliki efek langsung pada efisiensi proses. Dalam skenario perubahan iklim global saat ini, manfaat terbesar dari pengemasan panas buang adalah bahwa itu adalah sumber energi bebas gas rumah kaca.
• Manfaat tidak langsung dari pengemasan panas buang adalah pengurangan polusi lingkungan, pengurangan konsumsi energi untuk penggunaan tambahan, dan pengurangan ukuran peralatan. Pengemasan panas buang mengurangi konsumsi bahan bakar, yang mengarah pada pengurangan gas buang yang dihasilkan. Ini mengakibatkan pengurangan ukuran peralatan semua peralatan penanganan gas bahan bakar seperti kipas, tiap, saluran, pemangkar, dll. Pengurangan ukuran peralatan memberikan manfaat tambahan dalam bentuk pengurangan konsumsi energi tambahan seperti listrik untuk kipas, pompa dll.

Aspek lain dari sistem pengemasan panas buang adalah bahwa diperlukan ruang tambahan, modal dan biaya operasional yang perlu dipertanggungjawabkan dari manfaat yang diperoleh dalam hal panas yang dipulihkan.

Teknologi pengemasan panas buang, meskipun saat ini digunakan dalam tingkat yang bervariasi di banyak tempat di pabrik baja, menghadapi hambatan teknis dan ekonomi yang menghambat aplikasi yang lebih luas. Meskipun banyak teknologi sudah dikembangkan dengan baik untuk pengemasan panas buang (mis. pemulih panas dan regenerasi dll.) masih ada tantangan bahwa teknologi ini tidak selalu ekonomis untuk aplikasi tertentu (mis. aplikasi dengan aliran gas buang kotor).

Ada banyak hambatan yang mempengaruhi ekonomi dan efektivitas peralatan pemulihan panas dan menghambat pemasangan yang lebih luas. Banyak hambatan ini saling terkait, tetapi secara umum dapat dikategorikan terkait dengan biaya, pembatasan suhu, komposisi kimia, spesifik aplikasi, dan tidak dapat diakses/ditransportasikan sumber panas.

Praktik saat ini yang diadopsi untuk pengemasan panas buang menunjukkan bahwa panas buang biasanya dipulihkan dari sumber panas buang bersih, suhu tinggi dalam sistem kapasitas besar. Oleh karena itu ada kesempatan yang tersedia dalam mengoptimalkan sistem yang ada, mengembangkan teknologi untuk sistem yang korosif kimia, memulihkan panas dari sumber panas non fluida, dan memulihkan panas buang suhu rendah.

Meskipun ekonomi sering membatasi kelayakan pengemasan panas buang suhu rendah, ada berbagai aplikasi di mana panas buang kelas rendah telah secara hemat biaya dipulihkan untuk digunakan di fasilitas industri. Sejumlah besar panas buang industri hanya tersedia dalam rentang suhu rendah. Sebagai contoh, sistem pembakaran seperti boiler sering menggunakan teknologi pemulihan yang mengeluarkan gas buang dalam rentang suhu 120 derajat C hingga 150 derajat C. Juga, sejumlah besar panas buang dapat ditemukan dalam air pendingin industri dan udara pendingin. Sebuah pabrik baja terpadu di Jepang telah memasang pabrik generasi daya dengan kapasitas 3,5 MW menggunakan air pendingin pada suhu hanya 98 derajat C.

Dalam kasus gas buang pembakaran, panas yang signifikan dapat dipulihkan jika uap air yang terkandung dalam gas didinginkan ke suhu lebih rendah. Batas suhu minimum sekitar 120 derajat C hingga 150 derajat C sering digunakan untuk mencegah air dalam gas buang menguap dan menyetorkan zat korosif pada permukaan penukar panas. Namun, pendinginan gas buang lebih lanjut dapat secara signifikan meningkatkan pemulihan panas dengan memungkinkan kalor laten uapisasi dipulihkan. Kalor laten ini mencakup sebagian besar energi yang terkandung dalam gas buang. Teknologi yang dapat meminimalkan serangan kimia sambil pendinginkan gas buang di bawah titik kondensasi dapat mencapai peningkatan signifikan dalam efisiensi energi melalui pemulihan kalor laten uapisasi.

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

Teknologi tersedia yang dapat pendinginkan gas di bawah suhu titik embun untuk memulihkan panas buang suhu rendah. Teknologi ini meliputi ekononomizer dalam, kondensasi kontak tidak langsung, kondensasi kontak langsung, dan kondensor membran transportasi yang baru dikembangkan. Komersialisasi teknologi ini telah terbatas karena biaya tinggi dan karena fasilitas tidak memiliki penggunaan akhir untuk panas yang dipulihkan. Ketika fasilitas tidak memiliki penggunaan akhir untuk panas buang, beberapa telah menemukan cara lain untuk pemulihan, termasuk pompa panas dan generasi daya suhu rendah. Penggunaan teknologi ini juga sering dibatasi oleh keterbatasan ekonomi.