RACIONÁLIS ENERGIAFELHASZNÁLÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG 3.1 2.9 4.1 4.2 4.6
Csökkentett energiafogyasztású, korszerű ipari kemencék Tárgyszavak: kemencék; hőkezelés; energiatakarékosság.
2001-ben a gáz drágulása előtérbe helyezte a hőkezelő berendezések gazdaságosságának problémáit. A gáz árának emelkedése különösen ÉszakAmerikában volt erőteljes, rövid idő alatt tetemesen nőtt. Az 1. ábra tünteti fel az átlagos ipari gázár emelkedését az utóbbi években, Németországban és az USA-ban. Az energiaköltségek folyamatos növekedése következtében Európában energiatakarékos megoldásokat vezettek be, annak ellenére, hogy ez jelentős beruházásokat igényelt. Ma már az USA-ban is indokolt, hogy a gáz piaci ára miatt az európai energiatakarékos beruházások módszereit elfogadják. Az észak-amerikai hőkezelőipar szakmai szervezete célul tűzte ki, hogy 2020ig behozzák lemaradásukat az európai berendezésekhez képest, és az ipar korszerűsítésével mindenek előtt az energiafogyasztás és a környezetártalom csökkentését érjék el. A következők a folyamatos hőkezelő berendezések energiafogyasztását elemzik, majd rámutatnak a hőkezelő berendezések energiatakarékos megoldásainak lehetőségeire, a nagy energiafogyasztású, egyszerű kivitelű megoldásokból kiindulva a maximális mértékben energiatakarékos megoldásokig. A hőkezelési folyamat vázlata A vizsgálat kiindulási alapja egy tolókemence (2. ábra). Több kidolgozott energiatakarékossági rendszabály azonban a szakaszos működésű kemencetípusokon is megvalósítható. A korábbi vizsgálatokkal szemben ezúttal a teljes hőkezeléshez szükséges mellékberendezésekre is kiterjed az elemzés. Ezek mindenek előtt az előmosó-berendezések, a védőgázfejlesztés, a megeresztőkemence, az utómosó berendezés és az utóhűtő övezet. Mivel a tolókemence, az előmelegítő kemence és a megeresztőkemence saját vesztesége azonos, ezeket a kemencéket egy belső mérlegkörbe foglalták.
1
30 USA Németország 25
cent/m3
20
15
10
5
0 1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
1. ábra Az ipari gázárak összehasonlítása az USA-ban és Németországban Ezen a berendezésen elvégzendő hőkezelés hajtómű-alkatrészek szenítéséből, azt követő edzéséből és megeresztéséből áll. A feltüntetett berendezés bruttó teljesítménye 550 kg/h. Bár a berendezés mérete befolyásolja a hőmérleget, azonban nem ez a fő befolyásoló tényező. A munkadarabokat először az előmosó berendezésben megtisztítják a gépi megmunkálás után visszamaradt szennyezéstől, majd egy önálló előmelegítő kemencében 400 °C hőmérsékletre előmelegítik. Az egycsatornás magas hőfokú kemence a betétet 930 °C felszenítési hőmérsékletre hevíti. A kemenceberendezés számára az endoterm védőgázat földgázból állítják elő, katalizátoros védőgáztermelő berendezésben. Ezen kívül a felszenítéshez metángázt használnak. A felszenítés után a munkadarabon további széndiffúziót valósítanak meg 860 °C hőmérsékleten egy diffúziós övezetben. Erről a hőmérsékletről a munkadarabokat mintegy 80 °C-ra hűtik olajfürdőben. Ezzel valósul meg a leedzés. Egy tisztítási művelet után kerül sor a darabok megeresztésére, majd egy utóhűtő zónában szellőzővel szobahőmérsékletre lehűtik az adagot.
2
3
Az energiaáramlás elemzése A hőkezelő berendezésekbe áramló energiát az ún. Sankey diagrammal lehet szemléltetni. Az értékelés megkönnyítése érdekében az energiaáramlási értékeket a metallurgiailag szükséges energiaáramlás szerint normálták. Ez nagyjából az a hő, amelyet lehűtésnél átad az olajfürdőnek. Az energiafogyasztást egy kevéssé hatékony, jelenleg Észak-Amerikában még mindig használatos berendezés, egy korszerű, már optimált, Európában használatos berendezés, végül pedig egy még csak a fejlesztés szakaszában tartó, a jövő energiatakarékos megoldásait megvalósító berendezés esetében hasonlítjuk össze. Az egyszerű berendezéstípus Az olcsó, egyszerű fűtőrendszerrel ellátott, rekuperátor nélküli kemence esetében a 800 °C-nél forróbb füstgázokat az atmoszférába bocsátják. Az ilyen hőkezelő berendezések nincsenek önálló előmelegítő kemencével ellátva, és a szigetelés olyan, hogy az átlagos felületi hőmérséklet 50 °C-kal a környezeti hőmérséklet fölött van. Az átvezetéseken, vagyis a figyelőnyíláson, az égőknél és a gázforgató-szerkezetnél ennél lényegesen magasabb hőmérsékletek lépnek fel. A be- és kizsilipelés egyszerű konstrukciós megoldású. A környezeti oxigén behatolását megfelelően méretezett lángfüggöny akadályozza meg. Egyszerű berendezések esetében a védőgáztermelés mennyiségi szabályozás nélkül történik. A fokozott igényt újabb retorták beiktatásával fedezik. A felesleget fáklyán elégetik. Bár Európa fejlett ipari országaiban már csak egészen ritkán lehet ilyen berendezéssel találkozni, Észak-Amerikában és Kelet-Európa egyes országaiban mindennaposak az ilyen hőkezelő berendezések. Földgáz formájában mintegy nyolc és félszer annyi energiát kell az ilyen berendezésnek kapnia, mint amennyire tisztán metallurgiai szempontból szükség volna. Miután ezeknél a berendezéseknél ennyire elhanyagolják az energiatakarékosságot, a bevezetett energia tetemes része∗ hőveszteség, anélkül, hogy az a munkadarabban hasznosult volna. A füstgázveszteség mellett a falveszteségek és a védőgázhűtés okozzák a legnagyobb veszteséget. Az 1. táblázat tipikus korszerűtlen hőkezelőberendezés energiaigényét és -veszteségeit tekinti át. Tökéletesített fűtőrendszer A hőkezelő berendezések energiafogyasztásának legfontosabb megtakarítási lehetőségeit képviselik a rekuperátorok, valamint az égők működtetésekor ∗
a metallurgiailag szükséges energiafelhasználást 1-nek véve, az egyszerű, elavult berendezésben elvesző energia 7,5 egységnyi
4
a légfelesleg csökkentése. Ipari kemencék égőberendezéseinek kivitele lehetővé teszi a betét lehetőleg egyenletes felhevítését, minimális hőmérsékleteltéréssel. A füstgáz és a hőkezelésre kerülő betét közötti közvetlen érintkezés elkerülése érdekében általában acélcsöves égőket alkalmaznak. Kevés NOx levegőszennyezéssel egyidejűleg – a láng stabilitásának biztosítása érdekében – jelenleg általában 1,1…1,2-szeres légfelesleggel dolgoznak. Azonban a levegő-előmelegítésnek is megvannak a határai. A szokásos égők geometriája és anyaga a forró levegő hőmérsékletét mintegy 600 °C-ra korlátozza. A jelenlegi acélköpenyes égőcsövek esetén a rekuperátort közvetlenül az égőbe integrálják. Az utóbbi években kifejlesztett Si-SiC anyagú, kerámia rekuperátorok esetében növelhető a hőterhelés, ugyanakkor élettartamuk is nagyobb. 1. táblázat Energiabevitel és veszteségek – kevéssé hatékony hőkezelőberendezés jellemző adatai Bevitt teljesítmény, kW Védőgáz-generátor Villamos hajtások Utómosás Előmosás Munkadarabok lehűtése Fűtés
Veszteség, kW 43 22 15 15 66,7 573
754,7
Falveszteség Füstgázveszteség Védőgázhűtés Hűtővízveszteség Az adagolóállvány hűtése Fáklyaveszteség Ajtóveszteség Hűtőlevegő-veszteség
113,5 316 56 49 33 30 15 7 569,5
Más acélcsöves formák esetében ettől eltérő rekuperátor használata szükséges, amelynek hatásfoka mindenesetre kisebb. A 3. ábra mutatja és hasonlítja össze az elérhető gázmegtakarítást a rekuperátoros és az egyszerű, rekuperátor nélküli égőrendszer esetében. A rekuperátor nélküli égő esetében 930 °C hőmérsékletű hőkezelésnél a hatásfok mindössze 53%. Viszont a rekuperátoros égő hatásfoka ezen a hőmérsékleten 78%, ami minimum 32%-os gázmegtakarítást tesz lehetővé. A tüzelőrendszer hatásfoknyeresége – a konstrukciós kialakítástól függően – változhat. A számítást a szokásos 65%-os levegő-előmelegítés alapján végezték. A védőgázfogyasztás csökkentése A védőgázt vagy endoterm védőgáz-generátorban, vagy metanol–nitrogén keverék formájában állítják elő. Ahhoz, hogy a felszenítő kemencében tartani lehessen a kielégítő karbonszintet, be- és kirakási folyamatok közben a zsilipeket kielégítő mértékben kell védőgázzal öblíteni. Amennyiben endogázt használnak, annak előállításához és ismételt felmelegítéséhez felhasznált hőmen 5
nyiség a betét hasznosítási hőjének nagyságrendjében van. Tehát az ezen a területen elért megtakarítások jelentős mértékben befolyásolják a hőmérleget. A korszerű védőgáz-generátorok esetében a leadott gázmennyiség széles határok között szabályozható. A fáklyában elégetett gázmennyiség ennek megfelelően kicsi. tüzeléstechnikai hatásfok
hatásfok/megtakarítás, %
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
füstgáz-hőmérséklet a rekuperátor bemenetén, °C gázmegtakarítás
rekuperátor nélkül
rekuperátorral
3. ábra A rekuperátoros és egyszerű égőrendszer tüzeléstechnikai hatásfokának összehasonlítása A védőgázfogyasztás jelentős csökkentésének további hatékony módszere az alsó bezsilipezés és az átvezető fürdőn keresztül megvalósított kizsilipezés. A berakásnál a zsilipfeneket lesüllyesztik. A betétet a zsilipfenékre tolják. A zsilipet ezután emelővel ismét lezárják. Zsilipezés közben lángfüggöny akadályozza meg a levegő oxigénjének behatolását. A forró védőgáz felfelé áramlik, vagyis nem kezd örvényleni, mint amikor oldalt helyezkedik el a zsilip. Az energiamegtakarításon kívül ez az adagolási módszer a peremoxidációt is csökkenti. A védőgáz-megtakarítás másik komoly lehetősége az átáramoltató módszer alkalmazása a betét leedzésekor. A forró betét a levegő kizárásával a leedző fürdő fölött helyezkedik el. Egy süllyesztőpad a szokásos módon meríti a leedző fürdőbe az adagot. A hűtőfolyadék keverésével érik el a kellő sebességű hűtési folyamatot. A lehűtés befejezésével a betétet egy keresztirányú tolattyú egy második süllyesztőpadra tolja. Ez végül felemeli az adagot és a mosóberendezés elé hozza. A zsilipet általában nitrogénnel öblítik, hogy megakadályozzák, ill. lassítsák az edzőolaj öregedését.
6
Több berendezésen végzett mérések bizonyították, hogy a fenékzsilipelés és az átvezetéses leedző fürdő alkalmazása révén a védőgázfogyasztás megtakarítása 60%-ig terjedhet. Tehát a rekuperátoros égők után ez a második legnagyobb energiamegtakarítási lehetőség. Tökéletesített szigetelés A falveszteségek is nagymértékben hozzájárulnak a kemenceberendezés elsődleges energiafogyasztásához. A mérnök kétféle módon csökkentheti a falakon átáramló hőt. Ez a veszteségáramlás egyenesen arányos a kemence külső felületi hőmérséklete és a környezeti hőmérséklet közötti különbséggel. Amennyiben a hőáramlást 20%-kal mintegy 500 W/m2-re akarjuk csökkenteni (ami az 50 °C-os túlmelegedés 40 °C-ra való csökkentésének felel meg), a téglafalazás vastagságát 300 mm-ről 350 mm-re kell növelni. Ha szigetelő téglák helyett azbesztszövetet vagy hasonló szigetelőlapokat használnak, a tökéletesített hőszigetelést azonos falvastagsággal lehet elérni. A tűzálló szövet szigetelés nagyobb szigetelőképessége és kisebb hőtároló képessége, valamint az ebből származó építési és üzemeltetési előnyei következtében a hőkezelő berendezések esetén ez a megoldás már széles körben elterjedt. Részletesebb vizsgálatok során azonban meg kellett állapítani, hogy sokféle ilyen szigetelőszövet rákkeltő hatása miatt az egészségre veszélyes anyagok közé sorolandó. A veszélyeztetést az váltja ki, hogy meghatározott hosszúságú szálak a tüdőbe juthatnak és onnét nem juthatnak ki, nem is bomlanak le. Tehát ezeknek a szigetelőanyagoknak a feldolgozására csak bizonyos elővigyázatossági rendszabályok között van lehetőség. Felhasználásukat a hivatalos irányelvek korlátozzák. Érdekes fejlesztési eredmény az úgynevezett bioszálak előállítása, amelyek szálhosszúságát megváltoztatták, sőt amelyek biológiailag lebonthatók. 2001-ben egy kemencét ilyen anyaggal szigeteltek. A mért hőveszteség megegyezik a hagyományos szilikát jellegű anyagokból készült szövet szigetelésével. Az ígéretes kezdeti eredmények ellenére azonban problémát jelent, hogy a szigetelőanyag tartóssága egyelőre még nem biztosított. Megtakarítási lehetőségek a jövőben Az eddig ismertetett energiamegtakarítási rendszabályok a korszerű hőkezelő berendezések technikájának jelenlegi színvonalát képviselik. Az egyszerű hőkezelő berendezésekkel szemben a már bevált műszaki megoldásokkal a primer energiahordozó 44%-a takarítható meg. A korszerű előírásoknak nem megfelelő berendezéseket az ismertetett módszerek szerint át lehet alakítani. Az eddig leírt megtakarítási lehetőségeken túlmenően még sok más fogyasztáscsökkentési rendszabályt is meg lehet valósítani. Egyesek még a fej 7
lesztés fázisánál tartanak. Másokat már kidolgoztak, azonban az ipari megvalósítás szempontjából még túl nagyok a beruházási költségek. Így például az erősített szénszál anyagot felhasználó változatnak az adagolóállványon való alkalmazásával az adagolási veszteséget is csökkenteni lehet. Ezek az anyagok a vákuumkemencék esetében már beváltak a gyakorlatban. Előnyük nagy melegszilárdságuk és kis tömegük. Amennyiben sikerül az erősített szénszálakat bevonattal és oxigénnel szemben ellenállóvá tenni és porozitásukat csökkenteni, az adagolási veszteség 80%-kal lehet kisebb. További energiamegtakarítási lehetőséget kínál a csökkentett hővezető képességű szigetelőanyagok felhasználása. Ezek az anyagok már ismeretesek. A jelenlegi energiaárak szintjén azonban alkalmazásuk még nem gazdaságos. A szigetelés infravörös kamerával végzett vizsgálata lehetővé teszi a különösen kritikus helyeknek – például az égők környezetének – az azonosítását, majd azok jobb elhatárolását a hőveszteség csökkentése érdekében. A jövőben némi megtakarítás várható a gyújtóláng piezoelektromos gyújtóval való felváltása, vagy az energiatakarékos motorok használata révén is. A jövőben – a rendszerben lehetséges tökéletesítések révén – további 15%-os energiamegtakarításra lehet számítani. Az egyes megoldások bevezetésének feltétele az energiaár helyzete. Az energiamegtakarítási rendszabályokon kívül kimagasló fontosságú a berendezés koncepciójának helyes megválasztása. Sok esetben a különálló előmelegítő kemence gazdaságosabb, mint a teljes felmelegítés a fő hőkezelő kemencében. A hőkezelő berendezések helyes méretezését befolyásoló fontos tényezők még a hétvégi állásidők, a sokrétű hőkezelési programok és ezek sorrendisége. A gazdaságosság összehasonlítása Az energiatakarékossági lehetőségek gazdaságossági háttér nélküli vizsgálata csak elméleti értékű. Az energiamegtakarítási rendszabály gyakorlati bevezetésére csak akkor kerül sor, ha a vonatkozó beruházások kellő gyorsasággal amortizálódnak. Egy esettanulmányban két különböző gázár esetére végezték el, hasonlítottak össze egy kevésbé és egy rendkívül hatékony kemenceberendezést (4. ábra). Az évi összköltség a tőketörlesztésből, az energiaköltségekből, a munkabérből a karbantartási költségekből stb. áll. A költségkalkuláció azt mutatja, hogy az energiahatékony berendezés kb. 15%-kal drágább. 9%-os kamatláb és tízéves leírási időtartam esetében valamennyi változatban a tőketörlesztés a legnagyobb költségtényező. Ha a földgáz 12 cent/m3-ről 24 cent /m3-re drágul, nyilvánvaló, hogy a kevésbé hatékony berendezés éves anyagi terhelése erősen emelkedik. Az energetikailag hatékony berendezés esetében viszont alacsonyabb gázár mellett is megtérülnek a nagyobb beszerzési költségek. A gázár további emelkedése esetén az előny fokozódik. Összefoglalva, gazdasá 8
gi szempontból kimondható, hogy a gázár ingadozása esetében az energiatakarékossági rendszabályok a kemenceberendezés üzemeltetési költségeire stabilizáló hatásúak. Az USA-ban az energiatakarékossági beruházások elmaradása az energiahordozók évtizedeken keresztül érvényesülő alacsony áraival is magyarázható. éves hőkezelési költség 700 000
éves költségek, EUR
600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 0
egyszerű kemence, gázár 12 cent/m3
korszerű kemence, gázár 12 cent/m3
egyszerű kemence, gázár 24 cent/m3
korszerű kemence, gázár 24 cent/m3
egyéb költségek
14 375
14 375
14 375
14 375
karbantartás
21 563
14 375
21 563
14 375
energia
73 564
41 328
147 128
82 656
bérköltségek
143 750
143 750
143 750
143 750
tőketörlesztés
253 175
292 125
253 175
292 126
alternatívák
4. ábra Két kemenceberendezés gazdaságosságának összehasonlítása különböző gázárak esetén Összefoglalás A gázárak világméretű emelkedése 2001-ben indokolttá tette a hőkezelő berendezések energiahordozó-fogyasztásának felülvizsgálatát. Miután ÉszakAmerikában a gázárak szintje elérte az európai szintet, elkezdődött a korszerűsítés értékelése. Bizonyítható, hogy az egyszerű hőkezelő berendezések rendkívül energiapazarlók. A szükségesnek 8,5-szeresére van szükség ahhoz, hogy egy-egy alkatrészadag metallurgiai átalakítását elvégezzék. Már bevált technológiák alapján azonban 45%-kal kevesebb földgázt felhasználó új berendezések állíthatók elő és üzemeltethetők. A legjelentősebb energiamegtakarítást teszik lehetővé 9
– a rekuperatív levegő-előmelegítés, – a tökéletesített kemencefal-szigetelés, – az alulról megvalósított bezsilipelés és – a folyadékban valló leedzéssel kombinált kizsilipelés. A gázárak emelkedése esetén a következő években további 15%-os energiatakarékosság valósítható meg gazdaságosan. Egy gazdaságossági számítás azt mutatja, hogy energiatakarékossági beruházások révén az üzemeltetési költségek az ingadozó energiaárak ellenére stabilizálhatók. A gazdaságossági szempontokon kívül azonban a környezetvédelmi és forrásmegkímélési szempontok is betarthatók. (Dr. Barna Györgyné) Schobesberger, P.: Moderne Industrieöfen mit reduziertem Energieverbrauch. = Gaswärme International, 51. k. 5. sz. 2002. p. 207–212. Steinhoff, K.; Skwar, M.: Erdgasbefeuerte Ultraschnellaufheizung geschmiedeter Kaltwalzen. = Gaswärme International, 51. k. 1. sz. 2002. p. 18–22.
HIRDESSEN! A BME Országos Műszaki Információs Központ és Könyvtár a Műszaki–Gazdasági Kiadványok Osztálya gondozásában megjelenő folyóiratokban megrendelésre megjelentet hirdetéseket is. A szakma szerint kiválasztott kiadványban megjelenő hirdetések célzottan a potenciális felhasználókhoz jutnak el. A hirdetések ára: 37 000 Ft/oldal + 25% ÁFA A kiadványok formátuma: A/5. Tükörméret: 106 x 152 mm. Raszterszám: 35. Szórólap: max. A5-ös méretben, 25 g-ig 43 500 Ft + ÁFA, 25 g felett egyedi megállapodás szerint. Felvilágosítás és hirdetésfelvétel: BME–OMIKK – Értékesítési és Marketing Csoport 1011 Budapest, Gyorskocsi u. 5–7. ● Levélcím: 1255 Bp., Pf.: 207. Tel.: 457-5333● Fax: 457-5334 ● E-mail:
[email protected]
10
