余热利用的潜力

作者:GEA 发布时间:2022-05-27
啤酒企业对降低成本越来越感兴趣——由于能源价格不断上升,为了节省产品成本,生产工艺以及生产线上的每个组件所需的能源都需要进行评估,并通过复杂的数据进行比较。通过想要将余热转化为可利用的能源来提高能源的利用率,那么一个很重要的问题是其中的参数和要求都需要考虑。

自从啤酒开始出现,啤酒厂就想尽办法来减少第一和第二能源在生产中的用量。第一种就是利用余热。从1880年发现到现在,一直都在利用麦汁冷却器给酿造用水加热。啤酒厂通过不断地提高能源利用率,在1990年实际的能源(电和热)消耗为80 kWh/hl~100 kWh/hl,而到了2011年使用率最高的厂的能源消耗为39 kWh/hl[1]。随着“良好工程实践”项目的推进,到了2013年,能源使用量减少到了27 kWh/hl。通过不同的余热利用方法,特定的能源的使用率还可以进一步优化。

目前的发展水平

啤酒酿造工艺是一个早已进行优化了的工艺,尤其是在能源利用率方面。例如增加蒸汽冷凝器作为能源回收的存储罐,用麦汁冷却器来给酿造用水加热以及使用管道给水进行预热。从整体来看,仍有进一步优化的潜力。

如果一个啤酒厂有二氧化碳装置,那么就可以利用二氧化碳蒸发散热,对乙二醇进行冷却。在空气压缩系统中,被压缩的空气需要干燥和过滤。其中吸附剂完成干燥后将被分解。这个过程也可以通过转移流动的压缩热空气完成。所需的其余的热量就需要传统的电加热来完成。

工艺的量化和分类

能源利用效率的潜能的提高只能通过全方位的能源概念来实现。如果你想利用协同效应,你就必须对家庭酿造作坊、小型啤酒厂和罐装车间进行全面考虑。首先,传热过程一般可分为余热潜在的散失和散热器散失的热量(图1)。然后,基于它们的温度水平、热输出、可用性和热传导介质等特性被区分和分类开来。在图1中,所需的数量和可用的热量用不同大小的圆圈来表示(个别的可能存在偏差)。

图1 可能浪费的热量和散热片

图1 可能浪费的热量和散热片

余热资源

在啤酒厂的实际生产中,余热的回收有很多种方式。余热可以在压缩空气系统用于水冷压缩空气机的冷却回流。如果它们被空气冷却,这些热冷却空气就可用于室内供暖。举例来说,如果使用PET拉伸吹塑机,那么就可以用同样的方法使用高压空气压缩机。

在冷却系统中,余热可以从压缩过程、减温器和冷凝过程中进行回收。当使用活塞压缩机时,余热可以转移到冷媒中,因此该过程的余热可以被冷媒减温器利用。如果安装的是螺杆压缩机,就可以从热虹吸冷却系统或主动油冷器系统制冷中回收热量。在主动油冷却过程中,余热可以使用在其他的一些工艺过程中。

制冷系统的冷凝能力可以用在带有高温加热泵的蒸汽发生器中,如果这样就可以为它的冷却过程提供更多的余热。废水是另一种可以为热泵蒸汽发生器提供能源的资源。然而,在这个过程中,必须考虑冷却能力和额外电能成本的关系。

一般来说,如果使用了热泵,就必须努力获得一个最大的COP(性能系数:冷凝和压缩能力系数)和一个最大的SPF(季节性能因素:有用功和消耗的总电能的比值,使用一年的数据)。这可以通过减少压力比以及使用最高效的压缩机来实现。

另一种可能解决方案是使用热、电联产装置。在啤酒厂中使用热、电联产装置比较特殊的地方是其对热量的要求较高,或者说热的使用方面比电要更广泛。在啤酒厂,这个比例大约为3:1,而CHP大约是2:1。由于温度控制的较高,所以热、电联产装置在啤酒厂中一般用在散热装置中。

如果啤酒厂有一个蒸汽热量储存罐,则剩余能量的多少取决于蒸发率;所以该系统不会达到平衡。既然如此,剩余能源可以随减温器转移到热处理过程。

由于温度较高,所以该过程的能源可以用于任何过程。考虑到越炎热的地区其淡水的温度越高,所以在麦汁冷却器的第一段冷却阶段会出现水热量盈余现象。这些剩余的热水被储存在热水罐中,这样就可以直接给某些过程提供热能。

在酿造啤酒时,酿造车间的温度会不断上升。这时,我们可以利用空气对流传热原理,将这些热量传到外部,给人员供暖。然而,这种概念对设备的技术性能提出了极其严格的要求,所以只有新建的啤酒厂才会考虑使用这种利用方式。

散热器

为了最大限度的节约成本,也为了缩短投资回收期,应当使用能源密集型的散热器来收集余热。例如,全部的糖化热量、麦汁热量、巴氏消毒时的热量以及洗瓶时的热量,都可以用水作为热量交换介质进行热量回收。如果酒厂要使用特殊的散热器,那么必须进行分析,并对每种可能的情况进行评估。

防止余热散失

通过重新审视所有的生产工艺并使用现代科技调整温度水平或过程压力,可以有效避免整个过程中余热的流失。其中一个例子就是蒸汽锅炉的冷凝回收系统。如果通过蒸汽来提供热量,那么换热器表面的冷凝结构就会是蒸汽变成冷凝水并进入回收罐。如果有一个“开放式”的冷凝回收系统,在回收罐中的冷凝物就会通过沸点压力的变化而趋近于空气压力。

这样就可以使冷凝水再次蒸发,可以节约很多能源和水。根据相关文献[2][3]可知,热量流失一般在44 kWh/h~83 kWh/h之间。加压冷却回收系统又称为“封闭的”系统,不可能实现再蒸发。另外,定向的再蒸发可以给蒸汽锅炉用水进行加热。

余热利用的分类

在所有节能方式中,最迫切的是封闭过程的改进。余热从一个过程直接转移到另一个过程是形式最简单的利用方式。用降温器实现制冷功能就是这样的一个例子。当余热充足时,降温器还可以将部分热量用于巴氏杀菌过程。如果不使用,热量也会照常供应,造成损失。

如果额外安装了热能储存罐,波动性就会降低,而酿造过程就可以摆脱酿造周期的影响。例如,热能储存罐可以为麦汁加热提供热量。如果这种方法不可行,系统可以通过热能、电能、太阳能以及热泵技术继续进行。

例如,冷凝水可以将啤酒厂废水中的热量交换出来。其中所使用的热泵还可以在罐装车间使用。在这里,在隧道式巴氏杀菌器中进行的巴氏杀菌过程和洗瓶过程就成了能量密集型的过程。

热转换媒介

如果余热可以转移到水中,那么水就可以作为一种潜在的散热器,进行热量转换。如果用蒸汽代替水来作为转换介质,那么换热面积就会增大。因为如果换热媒介是蒸汽,热交换器在冷却过程中的潜在的热量大部分都能被利用。

由于缺少相应的变化,热量转换介质水的能量储存能力非常低。另外,如果余热不是传统的热能转换媒介提供的,那么它在某种程度上还应该被视为自动的余热转换过程。

余热的生成量

一般来说,余热的产量不是恒定的。它与设备的运转时间、酿造周期、地理及季节等因素有关系。由于冷负荷很高,在夏天冷凝器和减温机等制冷系统所产生余热的总量比冬天高。

此外,余热的产生量和需求量都与发酵过程有关。图2就显示了压缩机和制冷能力的波动情况都与发酵过程相关。

图2 根据酿造车间一个酿造过程(为期3天的酿造过程和为期12天的酿造周期)得出制冷能力、压缩能力和冷凝能力。

图2 根据酿造车间一个酿造过程(为期3天的酿造过程和为期12天的酿造周期)得出制冷能力、压缩能力和冷凝能力。

图3是欧洲和俄罗斯季节性能力变化图。一个常识是冬季能源的利用率要比夏季高。如果在夏季的生产高峰期,热能的使用量会增加,所以我们就要考虑如何将太阳能使用在生产中。

图3 图解欧洲和俄罗斯能力变化

图3 图解欧洲和俄罗斯能力变化

夹点分析

夹点分析是用来分析工艺和系统流程中潜在的能源节省的方法。能源和水流也可以直接进行比较。如果要检测热能流,就需要标注出温度和热能输出;如果要直接检测,则需要选择一个特殊的点。图4就显示了两个热流的复合曲线。来自于减温器(红色曲线)的热能(205 kW),以及用在罐中的巴氏消毒系统(蓝色曲线,175 kW)。

在此种情况下,夹点反映的是通过换热器的最小的驱动温差(根据“最佳工程实践”确定为5 K)。无论多大的换热器都有其边缘。阴影区域表示的是回收的145 kW的余热。所以总需求量(175 kW)的83%都来自余热。夹点以下的区域大约含有60 kW的余热。在阴影区域下方是换热器所含的热量(30 kW)。

如果从整条复合曲线来看,就可以判断是使用的热泵还是使用热、电联产装置。此外,为了发展系统的解决方案,复合曲线还必须包含热量转换器网络。

回温问题

换热媒介将流动温度传导至散热器,这是由余热产生过程的定义。它会对基于可利用的温度是否可以完全利用产生重要的影响。此外,根据工艺所需的温度得知,流动温度和连接驱动温差会对换热器表面产生影响。

如果该工艺需要让热媒回温,那么回温必须进行控制。如果所需回温的媒介来自于散热器,那么它的温度减少的不多,但是回流的动态冷却过程还是要进行的。在此情况下,潜在的一部分余热就会流失。这种情况可以从图4中总结出来。理论上可以使用的余热(红线,205 kW)比实际上所使用的余热(阴影区域,205 kW)要多很多。

图4 制冷系统中的减温器和罐中隧道巴氏消毒器的复合曲线

图4 制冷系统中的减温器和罐中隧道巴氏消毒器的复合曲线

在这个例子中,热媒的所回的温度(62 ℃)达不到隧道巴氏消毒的温度要求。如果存在驱动温差,热媒将被冷却到66 ℃,因此可使用的余热的量就会减少。产生这种效果的一种可能性是为了避免主动冷却,并以此来改善低温散热器系统的能源利用率。

当使用热、电联产装置时,这个问题是必须考虑的。热媒在CHP的回温必须维持在预设的温差之内。如果调整热媒的回温温差,则会造成部分余热的散失。

概述可能的概念

在表1中,展示了一些余热回收概念。例如,在炎热的地区,麦汁冷却器交换出的热水温度较高,所以可以用在CIP系统和洗瓶机中。既然如此,额外的换热器、泵和管道所做的贡献并不大。热水罐也可以当做缓冲罐来用,因此这其中的好处大于努力。

表1 一些余热利用系统概念的概述

表1 一些余热利用系统概念的概述

如果酒吧的“成本”和“盈利”是相等的,那么我们就需要考虑这其中的经济可行性。由于有CHP的电力解决方案,利润往往超多投资。这一系列的“评论”含有很多信息,其中就有具体方案。

总结

总体来说,各种参数,如季节性输出、周围条件、酿造车间的生产方法、余热源和散热器之间的距离、工艺温度、热输出和利用率,产生的余热可直接转换成可使用的热能。

为了避免浪费热能,需要提高过程停止时的效率。提高热能利用最简单的方式是直接改变能流在换热器中的流动方式。另外,要使余热的收集和使用可以在不同的时间点上。另外连续过程中的热能也可以积累,这样可以给不连续且能量密集型的过程提供热能。热、电联产装置、热泵以及太阳能的综合利用是最综合、最复杂的能源扩展方式。

GEA啤酒厂系统可以为啤酒厂进行现有能源估算。通过与啤酒厂运营商合作,并且通过分析和设计程序来确定余热利用和能量比耗。企业可以发展系统解决方案,以综合最有效的节能概念,并时刻考虑酿造过程的稳定性。


【参考文献】

[1] Heuven, F.; Van Beek, T.; Jackson, G.; Johnson, A.: Benchmarking der Energie- und Wassereffizienz im Brauereisektor 2012. In: BRAUWELT, 2013, No. 29, p. 851 to 853

[2] Tuffner, M.: Ökonomische Konzepte Dampf- und Wärmeerzeugung in Braue reien. In: BRAUINDUSTRIE, 2004, No. 8, p. 16 to 18

[3] Viessmann: Planungshandbuch Dampfkessel. März 2011. URL: http://www.viessmann.de/content/ dam/ internetglobal /pdf_documents/technical_series/ planungshandbuchdampfkessel.pdf (1. September 2013)


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