Mudassir Hashmi

Récupération industrielle Waste-Heat : avantages et les récents progrès de la technologie et des applications Cecilia Arzbaecher, Ed Fouché, et Kelly Parmenter, Global Energy Partners © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-1 ABSTRACT Une importante quantité d'énergie utilisée par l'industrie est gaspillée en chaleur sous forme de gaz d'échappement, d'eau, d'air et des liquides de quitter les installations industrielles. Bien qu'il n'est pas techniquement et économiquement possible de récupérer tous les déchets de la chaleur, une estimation brute, c'est que la récupération de la chaleur des déchets pourraient se substituer à 9 % de l'énergie totale utilisée par l'industrie américaine - ou 1,4 quadrillions Btu-qui, en fin de compte, aider à améliorer la compétitivité globale de l'énergétique et nous (E3M 2004). Une augmentation de l'utilisation des technologies de récupération de chaleur des déchets par l'industrie permettrait également d'atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES). Les principales sources de chaleur des déchets dans les installations industrielles : les gaz d'échappement des chaudières alimentées aux combustibles fossiles, chaudières, appareils de chauffage et de processus. Ces types de déchets à haute teneur-source de chaleur peut être facilement utilisée pour préchauffer l'air de combustion, chaudières , l'eau d'alimentation et le processus de charge. Récupération de chaleur des eaux usées de sources à plus basse température, tels que l'eau de refroidissement des compresseurs et condenseurs, est généralement un peu plus complexes, et implique généralement l'utilisation de pompes à chaleur pour augmenter la température d'une température appropriée à la distillation, l'évaporation, le chauffage de l'eau, et le chauffage des locaux. Le présent document résume les résultats de nombreuses études menées par les auteurs et/ou leurs associés pour déterminer les possibilités de récupération de chaleur des eaux usées dans les installations industrielles. Il décrit également les progrès récents et les applications de la technologie de récupération de chaleur des eaux usées. "Typique d'audits énergétiques" identifier les économies de coûts énergétiques annuels d'environ 5 %. Cependant, ce document confirme que le gaspillage systématique des projets de récupération de chaleur-fondés sur de solides principes thermodynamiques peuvent produire des économies annuelles d'énergie de 10 % à 20 % avec de la récupération de 6 à 18 mois pour les installations industrielles. Des progrès récents en matière de technologie de récupération de chaleur peuvent augmenter les économies d'énergie de 5 % à 10 %. Puisque seulement 5 % des usines américaines utilisent actuellement la récupération de chaleur des eaux usées, il y a potentiel énorme d'économies d'énergie dans le secteur industriel (EIA 2002, tableau 8.2). Définition de la chaleur résiduelle dans le présent document Cette chaleur est l'énergie associée aux flux de déchets, les gaz d'échappement de l'air, et/ou de liquides qui laissent les limites d'une installation industrielle et de pénétrer dans l'environnement. Dans la définition des déchets de chaleur, il est implicite que les flux de déchets se mélange avec l'air atmosphérique ou de l'eau souterraine et que l'énergie qu'ils contiennent n'est plus disponible en énergie utile. L'absorption de l'énergie des déchets par l'environnement est souvent qualifié de pollution thermique. Dans une définition plus restreinte, cette chaleur est l'énergie qui est rejeté d'un processus à une température suffisamment élevée pour permettre la récupération d'une fraction de l'énergie à des fins utiles dans une manière économique. Généralement, l'énergie transférée est la logique de l'énergie (ou énergie thermique interne) du fluide, mais elle peut aussi inclure le transfert de l'énergie latente du fluide. Heatexchange latente est généralement associé à un changement de phase entre la vapeur et liquide membres du © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-2 fluide, comme la condensation et de l'ébullition. Par exemple, la récupération de la chaleur résiduelle de l'air humide et chaud utilisés dans le processus de séchage du bois implique la récupération de chaleur latente et sensible à la fois. L'air chargé d'humidité qui, autrement, serait libéré dans l'atmosphère est portée au-delà de la bobine de l'évaporation d'une pompe à chaleur où elle se condense, non seulement de fournir des économies d'énergie mais aussi entraînant la capture des composés organiques volatils (COV) dans le condensat (Fouché, Ed et Heck, Greg 2006). La quantité, la qualité et la disponibilité temporelle de la chaleur résiduelle Il y a trois paramètres importants utilisés dans la quantification de la chaleur des déchets : quantité, qualité, et la disponibilité temporelle. La quantité de chaleur résiduelle disponible est habituellement exprimée en fonction de l'enthalpie de flux le flux de déchets : H = mh Où H = total Taux d'enthalpie des flux de déchets (Btu/h) ; m = masse débit defluxdedéchets(lb/h) ; et h = enthalpie spécifique de flux de déchets, (Btu/lb.) La qualité peut être grossièrement exprimée en fonction de la température du flux de déchets. Plus la température est élevée, plus la chaleur résiduelle est disponible pour la substitution de l'énergie achetée. L'utilisation d'une pompe à chaleur peut améliorer la qualité de la chaleur des déchets sur le plan économique une gamme limitée. Il est immédiatement évident qu'on ne peut pas utiliser un flux de chaleur des déchets à 70 °F pour chauffer un fluide dont la température d'entrée est de 100 °F, quelle que soit la quantité totale de chaleur résiduelle disponible. Cependant, une pompe à chaleur peut être utilisée pour élever la température de la chaleur à 110 °F. Si c'est une solution économiquement réalisable dépend de la température finale requise du fluide à chauffer. La disponibilité temporelle est une mesure de la disponibilité de la chaleur des déchets à des moments où il est nécessaire. Correspondant à la disponibilité de la chaleur résiduelle à la charge ultime est une considération importante dans l'efficacité de récupération de chaleur. Par conséquent, l'utilité de cette chaleur ne dépend pas autant de la quantité disponible comme elle le fait sur la question de savoir si sa qualité répond aux exigences de la charge potentielle et s'il est disponible à la fois lorsqu'il est nécessaire () disponibilité temporelle. Heat-Recovery potentiel dans l'industrie manufacturière américaine En 2002, l'industrie manufacturière américaine a utilisé environ 16 quadrillions de Btu d'énergie pour l'exploitation d'un large éventail d'appareils, notamment les chaudières, les disques durs de la machine, processheating , équipements et systèmes CVCA (EIA 2002, tableau 5.2). La majorité de l'énergie utilisée est le gaz naturel (36 %), suivi par l'électricité (17 %) et le charbon (7 %) (Figure 1). Parce que le gaz naturel représente une importante quantité d'énergie utilisée dans l'industrie manufacturière américaine fonctionnant au gaz naturel et les centrales électriques produisent aussi une importante part de l'électricité, nous nous l'industrie de fabrication est extrêmement vulnérable aux fluctuations des prix du gaz naturel. En outre, l'industrie manufacturière américaine est de plus en plus exposés à l'état et du gouvernement fédéral visant à réduire les émissions de GES depuis l'utilisation de l'énergie industrielle représente généralement près d'un tiers des émissions de GES dans les économies avancées (Jolley, 2006). Par exemple, la © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-3 Californie a récemment mis en œuvre des objectifs de la politique de réduction des émissions de GES aux niveaux de 2000 d'ici à 2010 et à des niveaux de 1990 d'ici 2020, tout en l'électricité et la consommation de gaz naturel des économies cumulatives d'environ 23 000 GWh et 440 en 2013, respectivement MMTh (CEC 2007). La California Energy Commission (CEC) s'efforce de sauver 7 800 GWh d'électricité et de gaz naturel MMth 210 dans le secteur industriel en 2013 par diverses initiatives, y compris la récupération de la chaleur des eaux usées (CEC 2007). La figure 1. L'industrie manufacturière américaine l'utilisation de l'Énergie, répartition par carburant, 2002 Gaz naturel Électricité Coke de charbon et de la brise du mazout résiduel du mazout léger et du carburant diesel de pétrole liquéfié et de liquides de gaz naturel Autres L'utilisation de l'énergie totale : 16 273 billions de BTU. Les données issues de l'EIE (2002, tableau 5.2) Une étude récente estime que les pertes de chaleur des déchets représentent 13 % à 18 % d'entre nous d'énergie industrielle (EC, 2003a). Il est estimé 1,4 quadrillions Btu de la chaleur résiduelle peut techniquement et économiquement être récupérés par l'industrie et de l'énergétique (E3M 2004). S'il se concrétise, cela se traduit par des économies d'énergie industrielle nous de près de 9 % au niveau de l'utilisation de l'énergie actuelle. Waste-Heat rentables de valorisation et de réutilisation dans l'industrie Alors que l'industrie manufacturière américaine s'appuie principalement sur des disques durs de la machine fonctionnant à l'électricité, il s'appuie fortement sur les centrales à combustible fossile de l'équipement de chauffage et les chaudières. En effet, le gaz naturel représente environ 70 % de l'énergie totale utilisée par l'équipement de chauffage dans l'industrie, suivi par le charbon (10 %) (EIA, 2002). Aussi le gaz naturel représente 70 % de l'énergie totale utilisée par les chaudières industrielles, suivi par le charbon (25 %) (EIA, 2002). De la chimie, du papier, de la transformation des aliments et du pétrole industries dominent l'utilisation de combustibles fossiles pour la marche de la chaudière, tandis que le secteur des métaux, les produits chimiques, et les industries de raffinage du pétrole dominent l'utilisation de combustibles fossiles pour l'équipement de chauffage (EIA, 2002). L'équipement de chauffage et les chaudières de presse moyen ou à haute température, les gaz d'échappement de la vapeur, des déchets et des effluents. Par exemple, les gaz d'échappement des fourneaux, fours, incinérateurs et autres équipements de chauffage sont © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-4 généralement libérés à des températures au-dessus de 1 000 (tableau 1). Par conséquent, les moyennes de-haute température gaz d'échappement de l'utilisation des combustibles fossiles et des chaudières de chauffage équipement sont de bons candidats pour la récupération de la chaleur des déchets. Rapport coût-efficacité de récupération de chaleur des eaux usées et la réutilisation des déchets comprend l'identification de sources de chaleur et d'une qualité suffisante, la quantité et la disponibilité temporelle, et les charges de chauffage que l'on peut réutiliser la chaleur des déchets récupérés. Il existe de nombreux procédés industriels disponibles dans la plage de température basse-tomedium que peut réutiliser la chaleur des déchets, dont beaucoup se trouvent dans la nourriture et boissons, textiles, produits forestiers, produits chimiques et pétrochimiques, industries (tableau 1). Par exemple, certaines opérations de distillation dans les raffineries et usines chimiques sont idéales pour la pompe à chaleur en boucle ouverte des systèmes qui la recompression mécanique "frais généraux" de vapeur de distillation qui est ensuite autorisé à se condenser dans le rebouilleur où il se vaporise le produit "bas" dans la colonne de distillation. Ces applications comportent habituellement des petites différences de température et sont souvent plus rentable que l'utilisation de combustibles pour chauffer le rebouilleur et une tour de refroidissement de rejeter la chaleur dans le distillat. . Tableau 1. Des températures de charges de chauffage industriel Secteur industriel Tous les secteurs Et de l'alimentation Boissons Textile Traiter L'eau d'alimentation de chaudière préchauffage Les installations de climatisation de l'espace et des entrepôts L'eau de chauffage Charge de préchauffage Le préchauffage de l'air de combustion La transformation des aliments (séchage, brasseries, produits laitiers) La maturation du yogourt (produits laitiers) Traitement thermique (transformation des aliments) Nettoyage en place lave, lave-bouteilles, de vêtements, etc. L'extraction par solvant et la distillation de l'huile végétale (transformation des aliments) La transformation des aliments (pasteurisation, brasseries, produits laitiers) L'ébullition (transformation des aliments) La distillation (brasseries) L'évaporation (produits laitiers) La stérilisation (transformation des aliments) Friture (transformation des aliments) Le rinçage après le lavage de la teinture textile etc. La décoloration Séchage à façon La teinture © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-5 Niveau de température typique (o F-,- Sème- L'industrie pétrochimique et chimique Produits forestiers La fabrication L'ébullition Distillant Divers processus chimiques Le séchage (bois) Chauffage, séchage, ondulations (pâtes et papiers) Peinture au pistolet La galvanisation La déshumidification et le chauffage de l'air pour le moulage par injection plastique Lavage/lubrification Dégraissage Chauffage placage, décapage, séchage des bains à récurer D'échappement chaudière à vapeur Les gaz d'échappement des moteurs à piston Le gaz d'échappement des fours de séchage et de L'échappement de la turbine à gaz Le gaz d'échappement des fours de traitement thermique du craqueur catalytique des gaz d'échappement Le gaz d'échappement des fours à ciment (procédé sec) Le gaz d'échappement des chaudières à foyer ouvert Le gaz d'échappement des fours d'affinage d'aluminium Le gaz d'échappement des fours d'affinage du cuivre Le gaz d'échappement des usines à hydrogène Le gaz d'échappement des incinérateurs de déchets solides Le gaz d'échappement des fours d'affinage du zinc Le gaz d'échappement des incinérateurs de fumée Le gaz d'échappement des fours de réchauffage de l'acier Le gaz d'échappement des fours à réverbère de cuivre Le gaz d'échappement des fours de fusion de verre Les données issues de l'échelle mondiale (2006b) -,150-1,- à- à 1 400 1,400-1,-,400-2,-,200-2 1,700-1,900 1,650-2,000 1,800-2,800 Bien que certains secteurs industriels peuvent offrir de plus grandes possibilités de récupération de la chaleur des déchets que d'autres, la plupart des secteurs industriels peuvent réutiliser la chaleur de combustion des déchets pour le préchauffage de l'air, l' eau d'alimentation de chaudière préchauffage, et processus de préchauffage de la charge. Par exemple, gaz-gaz Echangeurs de chaleur peut transférer la chaleur dans les gaz d'échappement à l'air comburant. De même, le gaz en liquide des échangeurs de chaleur à partir de déchets peut transférer les gaz d'échappement à l'eau d'alimentation de chaudière. Charge de préchauffage consiste à mettre les gaz d'échappement à haute température en contact direct avec la charge du refroidisseur relativement entrant dans le processus. Il s'agit d'une utilisation plus efficace de la chaleur résiduelle, car il n'exige pas l'utilisation d'un échangeur de chaleur. L'intégration de déchets-récupération de chaleur un process local aura des implications pour l'ensemble du processus l'ensemble de l'installation. Heureusement, il existe des stratégies, outils et méthodes disponibles pour aider à identifier les plus prometteuses des possibilités de récupération de chaleur, tout en assurant l'intégration de processus optimal et de l'efficacité © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-6 énergétique pour l' ensemble de l' installation industrielle. L'une des plus largement utilisé des méthodes d'intégration de processus est l'analyse pinch. L'analyse Pinch L'analyse Pinch a initialement été développé pour déterminer la récupération de chaleur optimale entre les sources de chaleur et les charges thermiques, mais est aujourd'hui également appliquée aux systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité, de services publics, les systèmes de distillation, de réacteur, la production d'hydrogène, et même la gestion de l'eau et les systèmes de traitement des eaux usées (Jolley, 2006). Il y a quatre principales phases de l'analyse pinch dans la conception des systèmes de récupération de chaleur pour optimiser l'intégration des procédés (Trivedi, Kirtan K., Fouché, Ed et Parmenter, Kelly E 2007) : • • • • Étude de site : Les données sont recueillies pour le processus et système d'utilité, avec l'accent principal sur chauffage, refroidissement, ébullition, condensation et besoins. Chaque contenant de l'énergie à partir de l'installation de débit nonproduct est identifié en premier. Par la suite, des données précises sur la source originale de la chaleur des eaux usées sont recueillies. Les données de simulation peut être utilisée lorsque les données du site mesuré est inexacte ou indisponible. Enfin, un bilan thermique sur le processus ou système qui produit la chaleur résiduelle est terminée. Ciblage : Objectifs pour les besoins de chauffage et de refroidissement minimum sont établis, et la récupération de chaleur maximale possible est quantifiée. Des objectifs réalistes, pratiques sont élaborées en prenant des contraintes, telles que les difficultés de manipulation des liquides et design étendu, en compte. Comparaison des objectifs pratiques avec les valeurs minimales en théorie quantifie les occasions perdues par les contraintes. Design : Un premier réseau de l'échangeur de chaleur est établie en utilisant des progiciels commerciaux. La méthode de conception de base se concentre sur la consommation d'énergie minimale tout en utilisant le moins possible d'unités ou de l'échangeur de chaleur totale minimale de la zone de transfert. Optimisation : l'échangeur de chaleur initiale de conception de réseau est simplifié et amélioré en termes de coût-efficacité, et les compromis entre l'efficacité physique et les coûts sont optimisés. Importance de pincer la température. Une fois le "chaud" et "froid" flux sont identifiés, l'ensemble du processus peut être tracée sur une température-vs-diagramme du flux de chaleur (ou Composite) Courbes d'examiner ce que "chaud" et "froid" d'eau peut être associé via la récupération de chaleur (Figure 2, gauche). Les courbes composites identifier la pincée (température la température où les deux courbes se rapprochent le plus ensemble), le minimum de besoins de chauffage externe (QHmin), et le minimum de besoins de refroidissement externe (QCmin) que le processus nécessite, dans l'hypothèse de récupération de chaleur parfait. La température de pincement sont utiles pour déterminer la nécessité d'un bain à vapeur et la façon d'intégrer de manière appropriée les pompes à chaleur à l'intérieur d'un processus. Par exemple, la vapeur ne doit pas être utilisé n'importe où au-dessous de la température de pincement parce que © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-7 l'installation dispose déjà d'un excès de chaleur en dessous de cette température. De plus, une pompe à chaleur est placée de façon appropriée que si elle exerce ses activités autour de la pincer, avec la chaleur résiduelle fournie à la pompe à chaleur au-dessous de la pincer et chaleur fournie par la pompe à chaleur au-dessus de la pincer. Toutes les "petites" un "froid" des flux de processus peut être représentée comme une simple ligne sur une température-vs-diagramme d'enthalpie (ou Grand Courbe composite), ce qui permet de les températures de fonctionnement et les charges de chauffage des évaporateurs et des condenseurs des pompes à chaleur et le placement de la pompe à chaleur à déterminer (Figure 2, droite). La figure 2. Courbes composites Avantages de l'analyse pinch. Les principaux avantages de l'utilisation de l'analyse pinch pour récupération de chaleur des eaux usées sont résumés ci-dessous (Global 2006a). • • • • • • • • • L'analyse Pinch fournit une méthode pour examiner continuellement les coûts d'énergie et la définition des économies d'énergie maximum possible ; Il fournit une approche structurée pour identifier les sources de chaleur des déchets premier et les charges de chauffage ; Il identifie clairement où les changements au processus lui-même réduire l' ensemble du processus objectif énergétique, plutôt que de simplement réduire l'utilisation de l'énergie localement ; Il organise des projets de récupération de chaleur des eaux usées dans les étapes de mise en œuvre avec une première commande analyse du remboursement et avec des économies cumulatives ; Il identifie clairement les déchets de faible grade-source de chaleur peut être récupérée et réutilisée. Il évalue les options de la pompe à chaleur et de placements ; Il fournit des règles pour intégrer de façon appropriée les opérations de l'unité de traitement, telles que l'évaporation et distillation ; Il offre un aperçu de l'endroit où des changements à l'utilitaire système, tels que les nouvelles ou alternatives, les niveaux de vapeur peut être justifiée ; Il identifie le type de système de production combinée de chaleur et d'électricité, le cas échéant, qui correspond le mieux à la charge thermodynamique inhérent © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-8 L'équipement de récupération de chaleur Il y a deux types principaux de l'équipement de récupération de chaleur utilisé par l'industrie : échangeurs de chaleur et les pompes à chaleur. L'utilisation d'échangeurs de chaleur est plus courante que l'utilisation des pompes à chaleur, en particulier dans les situations de rénovation. Cependant, les pompes à chaleur peuvent être une option plus économique dans certains cas. Par exemple, les pompes à chaleur peuvent faciliter les économies d'énergie quand heatexchange passive n' est pas possible en raison de la faible température de la chaleur des déchets ou de petites différences de température. Le coefficient de performance (COPhp) pour une pompe à chaleur doit être considérablement plus grand que 3 à être économiquement attrayants et plus grand que le seuil de la CDP pour l'énergie en vigueur conditions de prix. La grande majorité des pompes à chaleur fonctionnent avec la température de moins de 100 remontées mécaniques de DOE (2003b). Il existe quatre types de pompes à chaleur industrielles : • • • • Mécanique à cycle fermé l' utilisation de pompes à chaleur de compression mécanique de réfrigérant. Ils sont utilisés pour le séchage du bois, le chauffage des locaux, et l'eau de chauffage/process des liquides. Ouvrez-cycle compression mécanique de vapeur l' utilisation de pompes à chaleur de compression mécanique pour augmenter la pression de vapeur d'eau des déchets. Ils sont utilisés dans des procédés de distillation et d'évaporation que l'on trouve couramment dans les secteurs du pétrole, des produits chimiques, des pâtes et des aliments et des boissons. Ouvrez- pompes à chaleur thermocompression cycle utiliser la vapeur à haute pression pour augmenter la pression de vapeur d'eau des déchets. Ils sont utilisés dans des évaporateurs et des systèmes de récupération de vapeur flash, tels que le papier sèche-linge. Il est généralement plus rentable de choisir une pompe à chaleur de cycle, comme il l'a à la fois de la hausse du coût en capital de la CDP et inférieur par rapport à une pompe à chaleur à cycle fermé (Global 2006a). Cycle fermé des pompes à chaleur à absorption à deux composants utilisent un fluide de travail et les principes de l'élévation du point d'ébullition et la chaleur d'absorption. Ils peuvent fournir une température beaucoup plus élevée que l'autre ascenseur, pompes à chaleur et ont la capacité de fournir le refroidissement simultané et chauffage. Ils sont généralement utilisés dans les applications de réfrigération. Principaux avantages d'Waste-Heat Recovery Récupération de chaleur des déchets offre de nombreux avantages pour l'industrie, y compris : • Réduit les coûts d'énergie : tous les déchets récupérés directement la chaleur remplace l'énergie achetée, réduisant ainsi les coûts de l'énergie ; © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-9 • • • • • • Réduit le coût des biens d'équipement : la réutilisation de la chaleur des déchets permet d'utiliser des équipements de conversion d'énergie plus petite capacité, ce qui entraîne souvent des économies dans les dépenses en capital compenser les coûts de la récupération de chaleur ; Réduit les coûts d'exploitation : Depuis récupération de chaleur réduit les coûts d'énergie et souvent réduit également les coûts en capital, il réduit les coûts d'exploitation ; Limite l'impact environnemental : Parce que tous les déchets de récupération de chaleur de l'énergie achetée, remplace directement il réduit également l'impact environnemental sur l'air et l'eau ; Réduire les émissions de GES : récupération de chaleur des déchets par l'industrie permet de réduire les émissions de GES Associés à l'exploitation industrielle ; Peut réduire les coûts de traitement des émissions d'air : Le coût du traitement des polluants de l'air peut être considérablement réduite par les déchets-récupération de chaleur des gaz d'échappement dans les établissements qui s'appuient sur les incinérateurs à décomposer les polluants gazeux ou d'air vaporeux ; Peut améliorer la qualité des produits : l'utilisation de pompes à chaleur pour le séchage du bois fournit généralement une meilleure qualité de bois et de l'augmentation du rendement. L'économie de récupération Waste-Heat Le potentiel économique des systèmes de récupération de chaleur des eaux usées dépend de la valeur du capital, qui, à son tour, dépend de l'assemblée annuelle d'économies de carburant. Les économies de carburant peuvent être difficiles à prévoir car elles dépendent de la distribution dans le temps de récupération de la chaleur résiduelle et la disponibilité de charge thermique. En outre, le taux de recouvrement du capital d'équipement de récupération de chaleur diffère largement de la production sur l'équipement comme il est généralement fixé par les tarifs des services publics et les valeurs actuelles du marché des carburants et ne peut pas être aussi facilement ajusté en manipulant les prix de vente des produits. Le type le plus approprié de l'équipement de récupération de chaleur est déterminé en fonction de la faisabilité technique, une économie annuelle de coûts, et le coût en capital. Il peut être dangereux d'utiliser uniquement la période de récupération simple. Par exemple, les pompes à chaleur industrielles ont généralement des périodes de récupération plus longue (deux à cinq ans) que les options de l'échangeur de chaleur bien qu'elles offrent en général de meilleures solutions à long terme (EC, 2003b). Au lieu de cela, une bonne analyse des flux de trésorerie actualisés devraient être utilisés pour la précision de la comparaison des alternatives. Les progrès de la technologie et des applications de récupération de chaleur Nouvelle technologie de récupération de chaleur a été évolutif et pas révolutionnaire. Cependant, l'amélioration de l'efficacité et la conception des échangeurs de chaleur et les pompes à chaleur qui ont conduit à de nouvelles applications et d'améliorer la récupération de pour des © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-10 applications antérieures. L'équipement de récupération de chaleur actuelle peut être construit en matériaux spéciaux pour résister aux hautes températures, produits chimiques, et la corrosion. Par exemple, couramment utilisé le rayonnement métallique généralement ne peut pas gérer des récupérateurs les températures d'entrée de plus de 2 000 mais de récupérateurs de rayonnement en céramique peuvent tolérer des températures de gaz d'échappement jusqu'à 2 800 d. En outre, les économiseurs à condensation chaudière construite dans un matériau résistant à la corrosion peut récupérer de l'énergie sensible et latente provenant des gaz d'échappement. Les récents progrès dans la technologie de la pompe à chaleur pour augmenter la CDP et abaisser les coûts comprennent l'amélioration de l'efficacité du compresseur et l'échangeur de chaleur. Par exemple, le rendement isentropique de vapeur centrifuges compresseurs utilisés dans la recompression mécanique de vapeur (MVR) a augmenté d'environ 70 % et plus de 80 %, ce qui se traduit par des économies de coûts d'exploitation d'environ 10 % à l'échelle mondiale (2006a). Type de ventilateur turbo compresseurs ont également été mis au point pour des applications de compresseur à vapeur. Ils fonctionnent à vitesse plus basse, permettent de grandes quantités de vapeur sur les ratios de pression (jusqu'à 1.3), et d'avoir une diminution du coût du capital par rapport aux compresseurs centrifuges. Avec un rendement supérieur à 80 %, ils contribuent à améliorer l'économie des systèmes SCV plus loin. Certaines applications récentes de la technologie de récupération de chaleur Les applications les plus diverses (Trivedi, Kirtan K., Fouché, Ed et Parmenter, Kelly E. 2007). Global Energy Partners, en collaboration avec l'EPRI, a réalisé environ 70 stations d'analyse de récupération de chaleur pour une large gamme d'industries de la fabrication en Amérique du Nord, y compris les pâtes et papiers, du pétrole, pétrochimie, produits chimiques inorganiques ; composés organiques général ; engrais et pesticides ; les carburants de synthèse à partir de charbon, de polymères et de fibres ; alimentation ; boissons ; Produits pharmaceutiques ; et des minéraux et des métaux. Les analyses ont donné lieu à une économie annuelle de plus de 150 millions de dollars, avec la récupération de généralement moins de deux ans. Le tableau 2 résume les résultats de ces analyses effectuées pour identifier et mettre en œuvre des projets de récupération de chaleur des eaux usées qui a rencontré les exigences de récupération de l'installation industrielle. Tableau 2. Résultats choisis de partenaires mondiaux de l'énergie/Waste-Heat l'EPRI, analyses de récupération Catégorie de projet Préchauffer l' eau d'alimentation de chaudière Préchauffer l'eau de refroidissement de l'éliminateur d'un miroir par deux cours d'eau produit Remplacer l'échangeur de chaleur - 600 000 Période de récupération simple (Ans) 0.2 Refinery 383 000 67 000 0.2 Les pâtes et papiers 503 600 260 000 0.5 Type d'industrie Les pâtes et papiers © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-11 Économies annuelles ($) Les coûts en capital ($) Récupération de chaleur des condensats Pompe à chaleur MVR sur colonne de distillation Les pâtes et papiers Produits chimiques de spécialité 700 000 400 000 0.6 - - 1.1 Récupération de chaleur d'eau chaude Les pâtes et papiers - - 1.2 Re-pipe condenseur Les pâtes et papiers 640 000 800 000 1.2 150 000 225 000 1.5 Pompe à chaleur pour chauffer l'eau de condensat de réfrigération Les produits laitiers Économiseur de chaudière Les produits laitiers 30 000 20 000 1.5 Refinery - - 1.5 Les pâtes et papiers 325 000 520 000 1.6 Refinery 360 000 600 000 1.7 Pompe à chaleur dans l'unité BTX L'échange de chaleur avec les effluents Pompe à chaleur MVR sur colonne de distillation L'échange de chaleur avec les effluents Les pâtes et papiers - - 1.8 Appuyez sur le recyclage de l'eau de douche Les pâtes et papiers - - 1.9 Paper 149 000 299 000 2.0 Pompe à chaleur sur la réfrigération condensats L'industrie pharmaceutique 21 900 55 000 2.5 Préchauffer le appuyez sur l'eau de douche avec de l'air d'échappement Paper 111 000 291 000 2.6 Le papier journal 75 000 207 000 2.8 Il faut remarquer 3,000,0000 3.0 Améliorer ou remplacer l'economizer Préchauffer l'eau des effluents de l'usine processus avec Préchauffer l' eau d'alimentation de chaudière Les pâtes et papiers Les données issues de l'échelle mondiale (2006a) Le séchage du bois (Fouché, Ed et Heck, Greg 2006). La plus grande application de pompes à chaleur industrielles est le séchage du bois. Le sud de l'entreprise est en train d'évaluer une personnalisés, les pompes à chaleur pour le séchage au séchoir à bois d'oeuvre. L'air chargé d'humidité qui serait autrement rejeté dans l'atmosphère est portée au-delà de la bobine d'évaporation, où elle se condense à un flux liquide contenant des COV (nécessite une ventilation). Les résultats préliminaires montrent qu'environ 6 livres de l'eau est évacuée par kWh (570 Btu/lb). Pompes à chaleur pour un bâtiment industriel (Fouché, Ed et Heck, Greg 2006). Le Sud de l'entreprise est en train d'évaluer un système de déshumidification pour un bâtiment industriel. Le système se compose de pompes à chaleur et roue dessiccante qui rafraîchit l'air entrant. La chaleur © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-12 des serpentins de condensation fournit la chaleur de régénération à la roue dessiccante. Cette technologie n'est pas encore commercialisé. Pompe à chaleur/stockage thermique pour metal producteur (Tri-State, 2000a). Le stockage thermique peut être utilisé pour transférer la consommation électrique pendant les heures creuses. Dans le système d'origine, le retour de l'eau de refroidissement a été envoyée directement à une tour de refroidissement et les chaudières à vapeur a traité le 5 millions de Btu/h besoin de chauffage. Le système de vapeur a été converti en un 150 °F L'eau chaude et de la boucle d'une pompe à chaleur a été utilisé pour récupérer la chaleur résiduelle de l'eau de refroidissement. Un réservoir de stockage de 12 000 gallons a permis à la pompe à chaleur pour être mis hors tension pendant les heures de la demande électrique. Par conséquent, le 341-kW Puissance électrique de charge de la pompe à chaleur ne contribue pas toute autre demande de pointe et elle peut fonctionner à un COP de 4,3. La recompression de vapeur à cycle ouvert/pompe à chaleur (Tri-State 2000b). Une usine de fabrication a 50 000 lb/h de vapeur supérieure à 40 lb/po2 alors que dans le même temps, il faut 300 lb/po2 de la vapeur. Pour répondre aux besoins de l'usine de machine à vapeur, un bain à vapeur à cycle ouvert du compresseur de la pompe à chaleur a été évaluée. Deux étapes d'un compresseur rotatif à vis ou un compresseur centrifuge à trois étages a été proposé à l'unité d'un coût de- $. À un tarif de 0,05 $/kWh et une opération annuelle de 8 000 heures, une période de récupération simple de 2 ans pourrait être obtenue. Récupération de chaleur des gaz de combustion (Tri-State 2000c). Économiseurs et/ou les préchauffeurs d'air sont les plus couramment utilisés pour les gaz de combustion. D'économiseurs sont habituellement une bonne rénovation alternative si une chaudière fonctionne à des charges importantes tout au long de l'année. Par exemple, une chaudière qui fonctionne à 150 lb/po2 de la vapeur saturée et génère 20 000 lb/h peut généralement 2,4 MMBtu/h si un économiseur récupère la chaleur résiduelle des gaz de combustion. À un coût de 4 $ par million de Btu, ce qui permettrait d'économiser environ 52 000 $ par année. Thermique chaudière de récupération de la chaleur (EC, 2003c). A 3M de l'usine Hutchinson ont évalué deux applications : récupération de chaleur d'un échangeur de chaleur air/air et d'alimentation pour préchauffer l'air de maquillage, et une chaudière de récupération de la chaleur pour la production de vapeur à basse pression. La période d'amortissement de la chaudière de récupération de la chaleur était beaucoup plus court que pour l'échangeur de chaleur (1,2 ans contre 8,1 ans). L'utilisation d'une chaudière réchauffage atténue également les limitations de récupération de chaleur d'une huile-air Système de récupération de chaleur, comme la réduction de l'énergie annuelle d'un tel système est limité à la charge de l' airhandling unités. De plus, la chaleur récupérée de l'oxydeurs thermiques pour la production de vapeur basse pression peut également servir plusieurs charges tout au long de l'usine. La production de vapeur à partir de l'année la chaleur récupérée des déchets est estimé à fournir des économies totales de 772 000 $/année. La chaudière de récupération de la chaleur avait un 1.2-remboursement de l'année. Pompes à chaleur dans une centrale électrique brûlant des déchets (IEA HPC 2004a). En 2000, Umeå Energi Ltd. construit une centrale combinée avec un bois municipale et industrielle l'incinération de déchets. L'usine utilise un système de récupération de chaleur avec un système © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-13 intégré de 14 MW de la pompe à chaleur de compression des déchets qui récupère la chaleur de condensation dans les gaz de combustion et transmet cette chaleur des déchets dans le système de chauffage urbain. L'usine d'ammoniac sépare également produites à la suite de réduction des NOx thermique. L'ammoniac est récupérée et recyclée à la chaudière pour réutilisation. La recompression mécanique de la vapeur avec la distillation (IEA HPC 2004b). Dans le cadre de la modernisation d'une usine de produits chimiques, une nouvelle mécanique de la vapeur de propane propylène-recompression (MVR) colonne de distillation a été construit. Le système de MRV fournit des économies d'énergie annuelles de 3,5 millions d'euros et la réduction des émissions annuelles de CO 2 de 67 000 tonnes. Le système de MRV réduit également l'utilisation de l'eau de refroidissement. Le système est équipé d'un 2-remboursement de l'année. Conclusions et recommandations Les installations de fabrication sont une grande chance pour la récupération de la chaleur des déchets. La température moyenne des gaz d'échappement des tohigh dans les centrales alimentées par des combustibles fossiles, les appareils de chauffage, les chaudières et autres équipements de chauffage représentent habituellement le plus grand nombre de possibilités de récupération de chaleur passive-déchets dans l'industrie. Cependant, l'utilisation de pompes à chaleur pour élever la température de la chaleur à basse température à un niveau plus adapté à la distillation, l'évaporation, le séchage, le chauffage des locaux, le chauffage de l'eau et offre un grand potentiel d'applications aussi. Étant donné que moins de 5 % des usines américaines utilisent actuellement la récupération de chaleur des eaux usées, le potentiel de récupération de chaleur des déchets est énorme dans l'industrie américaine. DOE (2002, tableau 8.2) En effet, on estime que la récupération de la chaleur des déchets pourraient se substituer à 9 % de la consommation totale d'énergie par l'industrie américaine - ou 1,4 quadrillions de Btu. Et l'énergétique (E3M 2004) Un autre avantage de la récupération de la chaleur des déchets est la réduction des émissions de GES. En définitive, une plus grande utilisation de matériel de récupération de la chaleur des déchets par l'industrie américaine va augmenter la compétitivité mondiale de cette industrie. Industrial facilite avec l'utilisation de l'énergie importante devrait effectuer des évaluations de l'efficacité énergétique à l'échelle du site pour déterminer les possibilités d'en réduire l'intensité énergétique et d'identifier les possibilités de réutilisation et de récupération de wasteheat. Programmes d'encouragement de la part des services publics et organismes fédéraux et d'état sont disponibles pour compenser tout ou partie du coût de l'ensemble d'un site d'évaluation de l'efficacité énergétique de l'énergie. Le site-wide doit d'évaluation de l'efficacité énergétique : • • • • Commencer par un bilan énergétique des sources d'énergie et utilisations (charges) ; Identifier les possibilités de réutilisation et de récupération de chaleur ; Utiliser l'analyse pinch, le cas échéant ; Envisager de nouvelles options technologiques, tels que les moteurs à faible consommation d'énergie, des variateurs de vitesse, des commandes avancées, échangeurs de chaleur, pompes à chaleur, les chaudières électriques, l'éclairage à haut rendement, la production combinée de chaleur et d'électricité, la cogénération, le stockage de l'énergie et la production décentralisée ; © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-14 • Identifier et mettre en œuvre des projets rentables qui réduisent l'intensité énergétique. Références [Cce] California Energy Commission. L'année 2007. Programme de recherche sur l'Énergie de l'intérêt public, atelier public avec les parties prenantes, l'efficacité industrielle RD&D La planification. Sacramento, CA : California Energy Commission. Le 23 janvier. [Untel] Ministère de l'énergie. 2003a. Activé thermiquement Technologies, Carte routière. Washington, D.C., : Ministère de l'Énergie des États-Unis, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables. [Untel] Ministère de l'énergie. 2003b. BestPractices mémoire technique vapeur, chaleur industrielle Pompes pour la vapeur et les économies de carburant. Washington, D.C., : Ministère de l'Énergie des États-Unis, Washington, DC : Département de l'énergie, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables. [Untel] Ministère de l'énergie. 2003c. BestPractices Plant-Wide, Étude de cas Évaluation : 3M de l'usine Hutchinson se concentre sur la récupération de la chaleur et de cogénération au cours de l'évaluation d'efficacité énergétique Plant-Wide, Washington, DC : Département de l'énergie, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables. [EIA] Energy Information Administration. L'année 2002. Enquête sur la consommation d'énergie de fabrication (Em), http://www.eia.doe.gov/emeu/mecs/mecs2002/data02/shelltables.html L'énergétique, Inc. et E3M, Inc. 2004. Préparé pour le ministère de l'Énergie des États-Unis, le Programme des technologies industrielles, l' utilisation de l'énergie, perte et analyse des possibilités : la fabrication aux États-Unis et à l'exploitation minière, Département de l'énergie, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables. Fouche, Ed et Heck, Greg. L'année 2006. "La récupération de la chaleur des déchets industriels et la réutilisation." Document présenté à la réunion du Sommet de l'énergie Partenaires 2006, Nashville, TN., 13 et 14 septembre. [Global] Global Energy Partners, LLC. 2006a. Récupération de chaleur des déchets industriels et de réutilisation. Lafayette, CA : Global Energy Partners, Inc. [Global] Global Energy Partners, LLC. 2006b. Relations sérieuses in marché : solaire-thermique Applications dans l'industrie. Lafayette, CA : Global Energy Partners, Inc. [Aie] HPC Agence internationale de l'Énergie Centre de pompe à chaleur, 2004a. Umeå Suède - Closedcycle " pompe à chaleur de compression". Http://www.heatpumpcenter.org/publications/case_umeå.asp © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-15 [Aie] HPC Agence internationale de l'Énergie Centre de pompe à chaleur, 2004b. "Pernis aux Pays-Bas - la recompression mécanique de la vapeur." Http://www.heatpumpcenter.org/publications/case_pernis.asp Jolley, Ainsley. L'année 2006. Des technologies pour réduire l'utilisation de l'énergie à l'arrêt, le changement climatique Document de travail n° 6, l'Université de Victoria, Australie : Centre d'études stratégiques de l'économie. [Région] Génération Tri-State Association Transmission 2000a, "Bibliothèque d'énergie, technologies de l'énergie, le stockage thermique", http://tristate.apogee.net/et/evprths.asp [Région] Génération Tri-State Association Transmission 2000b, "Bibliothèque d'énergie, de l'énergie Technologies, par exemple de la recompression de vapeur", http://tristate.apogee.net/et/evprsre.asp [Région] Génération Tri-State Association Transmission 2000c, "Bibliothèque d'énergie, technologies de l'énergie, de récupération de chaleur des gaz de combustion", http://tristate.apogee.net/et/ehubfhr.asp Trivedi, Kirtan K., Fouché, Ed et Parmenter, Kelly E. 2007. Guide de l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables, édité par Frank Kreith, et D. Yogi Goswami, Boca Raton, FL : CRC Press. Turner, Wayne et Doty, Steve. L'année 2007. Guide de gestion de l'énergie. Sixième édition. Lilburn, GA : le Fairmont Press, Inc. © 2007 l'été de l'ACEEE Étude sur l'efficacité énergétique dans l'industrie 2-16