Na czym polega proces odzysku ciepła ze spalin?

Istotą odzysku ciepła jest przejęcie energii zawartej w spalinach i przekazanie jej do innego nośnika – może to być woda, powietrze lub olej termiczny. Do tego celu stosuje się różnorodne wymienniki ciepła, które dobierane są w zależności od parametrów gazów wylotowych – ich temperatury oraz składu chemicznego.

W praktyce odzysk ciepła z gazów odlotowych realizowany jest głównie przy użyciu następujących technologii:

• ekonomizerów, które najczęściej wykorzystywane są w kotłach przemysłowych do podgrzewania wody zasilającej, zwiększając sprawność całego procesu spalania,
• rekuperatorów, przekazujących ciepło do powietrza procesowego, co ogranicza zużycie paliwa w systemach grzewczych i przemysłowych,
• kondensacyjnych wymienników ciepła, które odzyskują tzw. ciepło utajone zawarte w parze wodnej, co pozwala na zwiększenie sprawności systemów niskotemperaturowych,
• instalacji ORC (Organic Rankine Cycle), umożliwiających konwersję energii cieplnej na elektryczną nawet przy stosunkowo niskich temperaturach spalin.

Skąd można odzyskać ciepło ze spalin?

Źródła spalin nadających się do odzysku ciepła są bardzo różnorodne. Występują wszędzie tam, gdzie dochodzi do spalania paliw lub prowadzenia procesów w wysokich temperaturach. Odzysk ciepła nie dotyczy wyłącznie pieców i kotłów – można go wdrażać w wielu gałęziach przemysłu i energetyki tam, gdzie emitowane są gorące spaliny.

Do najczęstszych źródeł należą:

• turbiny gazowe i silniki spalinowe,
• piece hutnicze i urządzenia stosowane w metalurgii,
• piece obrotowe w cementowniach oraz piece topielne w przemyśle szklarskim,
• instalacje chemiczne i rafineryjne, np. reaktory czy piece do krakingu,
• spalarnie odpadów oraz biogazownie.

W każdym przypadku kluczowe znaczenie ma właściwe dobranie technologii odzysku do specyficznych warunków – głównie temperatury i składu spalin – aby maksymalnie wykorzystać dostępne źródło energii.

Wykorzystanie odzyskanego ciepła a temperatura spalin

Opłacalność inwestycji w system odzysku ciepła ze spalin w dużej mierze uzależniona jest od temperatury gazów wylotowych i dopasowania odpowiedniej technologii. W zależności od zakresu temperatury możliwe są różne scenariusze wykorzystania:

• Powyżej 500°C – tak wysokie temperatury występują m.in. w hutach, zakładach cementowych czy elektrociepłowniach. W tym przypadku możliwe jest wytwarzanie pary technologicznej albo produkcja energii elektrycznej w układach ORC,
• 200–500°C – typowe dla kotłów przemysłowych, pieców metalurgicznych i instalacji chemicznych. Ciepło można odzyskiwać poprzez ekonomizery lub rekuperatory, np. do podgrzewania wody technologicznej czy powietrza procesowego,
• 100–200°C – w tym przedziale najlepiej sprawdzają się kondensacyjne wymienniki ciepła. Znajdują zastosowanie w branży spożywczej, papierniczej i w systemach HVAC,
• Poniżej 100°C – odzysk ciepła przy tak niskiej temperaturze jest trudniejszy do opłacalnej realizacji, ale możliwe jest jego częściowe wykorzystanie, np. do wstępnego ogrzewania powietrza wentylacyjnego lub przy wsparciu wysokotemperaturowych pomp ciepła.

Czy możliwa jest instalacja systemu odzysku ciepła ze spalin bez przerywania produkcji?

W wielu zakładach przemysłowych możliwe jest wdrożenie systemów odzysku ciepła bez konieczności zatrzymywania procesów produkcyjnych. Dotyczy to zwłaszcza obiektów, w których infrastruktura techniczna umożliwia montaż wymienników ciepła w modułowej formie lub ich integrację z już istniejącymi kanałami odprowadzającymi spaliny. Jednak przy bardziej złożonych realizacjach, które wymagają np. ingerencji w obecny układ spalinowy, budowy nowych przyłączy lub instalacji dużych urządzeń, może się okazać, że konieczne będzie czasowe wyłączenie obiektu z eksploatacji.

„Stopień ingerencji zależy od rodzaju instalacji oraz dostępnej przestrzeni – w przypadku kotłów przemysłowych, turbin gazowych czy pieców metalurgicznych modernizacja może wymagać przerw technologicznych, natomiast w systemach, gdzie można zamontować wymienniki ciepła równolegle do istniejącego układu, prace mogą odbywać się etapowo, minimalizując wpływ na ciągłość produkcji. Przed wdrożeniem odzysku ciepła zawsze przeprowadza się analizę techniczną, aby określić optymalny sposób instalacji przy jak najmniejszych zakłóceniach dla zakładu.” - mówi mgr inż. Przemysław Wojciechowski, Kierownik Projektu w DB Energy.

Korzyści z wdrożenia odzysku ciepła ze spalin

Zastosowanie systemów odzysku ciepła ze spalin niesie za sobą wiele korzyści – zarówno z ekonomicznego, jak i ekologicznego punktu widzenia. Przede wszystkim pozwala ono na istotne zmniejszenie zapotrzebowania na paliwa, ponieważ energia zawarta w spalinach może być ponownie użyta np. do ogrzewania powietrza technologicznego, wody procesowej lub nawet do produkcji prądu. To z kolei przekłada się na realne oszczędności – ponowne wykorzystanie istniejących zasobów cieplnych oznacza niższe wydatki na zakup mediów energetycznych.

Dodatkowo ograniczenie zużycia paliw kopalnych skutkuje redukcją emisji dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń, co ma znaczenie nie tylko w kontekście spełnienia norm środowiskowych, ale również realizacji strategii ESG, które zyskują na znaczeniu w politykach wielu firm. Odzysk ciepła przyczynia się także do zwiększenia efektywności energetycznej przedsiębiorstwa poprzez bardziej świadome i oszczędne zarządzanie energią. W określonych przypadkach istnieje również możliwość wytwarzania energii elektrycznej, np. dzięki zastosowaniu technologii ORC, co prowadzi do dalszych oszczędności operacyjnych. Istotną zaletą tej technologii jest jej elastyczność – można ją dopasować do różnych procesów przemysłowych oraz szerokiego przedziału temperatur spalin, co sprawia, że znajduje zastosowanie w wielu branżach.

Spaliny to nie jedyne miejsce, z którego można odzyskać ciepło - więcej o tym, jak działa odzysk ciepła i gdzie można go zastosować przeczytasz tutaj:

Infografika DB Energy – jak działa odzysk ciepła?

Ograniczenia związane z odzyskiem ciepła

Wdrożenie odzysku ciepła nie zawsze jest ekonomicznie uzasadnione ani technicznie wykonalne. Istnieje kilka kluczowych czynników, które mogą wpływać na opłacalność tego typu inwestycji:

• jeżeli temperatura spalin jest zbyt niska, efektywność systemu odzysku spada, co może skutkować niekorzystnym okresem zwrotu inwestycji,
• skład chemiczny spalin może przyczyniać się do powstawania osadów, np. sadzy, lub do korozji urządzeń, co wiąże się z dodatkowymi kosztami eksploatacyjnymi,
• w niektórych zakładach mogą występować ograniczenia przestrzenne, które uniemożliwiają montaż niezbędnych elementów instalacji odzysku,
• wdrożenie systemów takich jak ORC, rekuperatory czy kondensacyjne wymienniki ciepła może wiązać się ze znacznymi nakładami inwestycyjnymi,
• jeśli instalacja nie pracuje w trybie ciągłym, czas zwrotu może być istotnie wydłużony, co zmniejsza atrakcyjność finansową przedsięwzięcia.

Podsumowanie

Odzysk ciepła ze spalin to rozwiązanie, które może znacząco wpłynąć na poprawę efektywności energetycznej, obniżenie kosztów operacyjnych oraz ograniczenie emisji – szczególnie w zakładach charakteryzujących się wysokim zużyciem energii oraz pracą w wysokich temperaturach. Choć wdrożenie odpowiedniej technologii wiąże się z dużym początkowym wkładem finansowym, w dłuższej perspektywie pozwala ono na lepsze zarządzanie energią, zgodność z wymogami środowiskowymi oraz realizację celów zrównoważonego rozwoju. Ostateczna opłacalność zależy jednak od wielu czynników – w tym temperatury i składu spalin – dlatego tak duże znaczenie ma wcześniejsza, szczegółowa analiza techniczna. Dobrze zaprojektowany i wdrożony system odzysku ciepła stanowi nie tylko element transformacji energetycznej, ale też realne narzędzie do zwiększania rentowności zakładu.