VALORIFICAREA CLDURII DIN APELE INDUSTRIALE UZATE

Gabriela LILIANA DEAC, Tiberiu RUSU

RECOVERY OF HEAT INDUSTRIAL WASTEWATER

Secondary energy resources (RES) with low thermal potential such as heat from industrial wastewater and exhaust flue gases have substantial energy content. The current trend to recovery of this RES consist of develop to researches and plants for electrical power. This paper presents the current state of energy conversion using organic Ranking cycle (ORC).

Cuvinte cheie: ape uzate industriale, ciclul organic Rankine, resurs energetic secundar, conversie energie termic, potenial termic redus

Keywords: industrial wastewater, organic Ranking cycle, secondary energy source, converting heat, low grade waste heat

1. Introducere Una din provocrile majore pentru Uniunea European se

refer la modul n care se poate asigura securitatea energetic cu energie competitiv i curat, innd cont de limitarea schimbrilor climatice, escaladarea cererii globale de energie i de viitorul nesigur al accesului la resursele energetice.

Planul climatic 20-20-20" - de departe cel mai cuprinztor set de politici anti-schimbri climatice - are ca int pn n anul 2020 reducerea cu 20 % a emisiilor de gaze cu efect de ser fa de nivelurile din 1990 (respectiv cu 14 % fa de 2005), diminuarea

435

consumului de energie primar cu 20 % i atingerea unei ponderi de 20 % a energiei regenerabile n totalul consumului. Acest plan care intr n vigoare din 2013, urmrete i revizuirea sistemului de tranzacionare a certificatelor privind emisiile de CO2, introducerea cotelor specifice obligatorii pentru fiecare stat membru, care variaz n funcie de PIB-ul fiecrei ri i promovarea energiei regenerabile [9].

2. Caracterizarea apelor uzate industriale Indicatorii de calitate a apelor industriale uzate evacuate se vor

ncadra n valorile prevzute de H.G.188/2002, modificat prin H.G. nr. 352/2005, NTPA 001/2002 i a Autorizaiei de ape pentru aprobarea unor norme privind condiiile de deversare n mediul acvatic a apelor uzate.

n tabelul 1 sunt prezentate limitele admise de ncrcare pentru evacuarea apelor industriale uzate provenite de la societile SA ArcelorMittal SA Hunedoara i SC Mechel Cmpia Turzii SA n emisarii naturali (rul Cerna, respectiv rul Arie) [7], [8], [10]. Valoarea temperaturii apei industriale uzate i epurate admis pentru deversarea n receptorul natural este de 35 0C.

Principalii indicatori analizai la stabilirea gradului de ncrcare al apelor uzate i n funcie de care se determin gradul de epurare al apelor uzate sunt [5]:

MTS suspensiile din apa uzat, care sunt mai puin sedimentabile dect materiile organice solubile i care sedimenteaz cu timpul n bazinele de decantare sub form de nmol; CBO consumul biochimic de oxigen reprezint un indicator al polurii apei cu substane biochimice; CCO consumul chimic de oxigen reprezint un indicator al polurii apei cu substane organice oxidabile.

Tabelul 1

Indicatori de calitate

Valori admise [mg/l]

SC ArcelorMittal SA

Hunedoara

SC Mechel Cmpia Turzii

SA

Temperatura, 0C 35 35 pH 6,58,5 6,58,5

Materii in suspensie 60,0 60 Subst. extractibile cu solv. 20,0 20,0

436

organici CBO5 20 20 CCOCr 125 125 Cloruri 500 500 Sulfai 600 400

Azot total 10 - Produse petroliere 5 0

Reziduri fixe ( filtrate la 105 0C) 2000,0 2000 Fe total 5,0 5,0 Amoniu 2,0 -

Detergeni sintetici 0,5 - Cr hexavalent 0,1 1,0

Ni 0,5 0,5 Mn 1,0 1 Pb 0,2 - Cd 0,2 - Zn 0,5 0,5 Cu - 0,1

Fosfor total - 2

2.1. Apa uzat din industria metalurgic

Apele uzate provenite din industria metalurgic sunt apele de rcire utilizate n diferite procese tehnologice.

a) Apa uzat provenit din sectoarele de trefilare:

Apa de rcire se utilizeaz n procesul de clire izoterm a

srmei n baia de plumb topit, care are loc la temperatura de 480550 0C, urmnd procesul de decaparea srmei cu o soluie de HCl.

Reaciile chimice care au loc n baia de decapare sunt:

FeO + 2 HCl = FeCl2 + H2O (1)

Fe3O4 + 8 HCl = 2FeCl3 + FeCl2 + 4H2O (2)

Fe2O3 + 6 HCl = 2 FeCl3 + 3H2O (3)

Fe + 2 HCl = FeCl2 + H2 (4)

437

HCl ap industrial ap industrial srm srm

srm decapat decapat

ape uzate acide ape uzate acide

Fig. 1 Schema bloc a procesului de decapare si splare [11]

Apele uzate provenite din procesul de decapare i splare a srmelor tratate izoterm sunt impurificate cu substane chimice i au un coninut ridicat de cldur la temperaturi de pn 70 0C .

b) Apa uzat provenit de la turnarea continu i din sectoarele de laminare agle

Apa de rcire utilizat la procesul de turnare continu provine

de la cuptorul electric cu arc, de la instalaia de desprfuire, de la rcirea transformatorului i a cablurilor de for, de la instalaia de tratament secundar LF i de la sectoarele de laminare [7].

Temperatura apelor uzate evacuate din instalaiile industriale de rcire din industria metalurgic (ex. SC ArcelorMittal SA Hunedoara, SC Mechel Cmpia Turzii SA etc.), Centralele termoelectric, Centrale nucleare etc este mult mai mare dect limita admis pentru deversare n emisar de 35 0C.. Astfel:

la Laminorul de Profile Mijlocii temperatura apei la intrarea n instalaie este 20 C i la ieire de 70 0C [7].

la Laminorul de Srm temperatura apei la intrarea n instalaie este 20 C i la ieire de 70 0C [7].

la cuptorul electric cu arc tip EBT 100 t este 20 0C i de 60 100 0C la ieire din instalaie.

DECAPARE SPLARE

DECAPARE SPLARE

438

la instalaia de desprfuire de la cuptorul electric EBT apa de rcire ajunge la aproximativ la 100 C [7].

la instalaia de rcire i splare de la decapare, temperatura apei la ieire este cuprins ntre 4070 0C [11].

3. Apa uzat industrial resurs energetic secundar (RES)

Apa uzat industrial poate fi considerat rezultatul unui proces tehnologic primar fcnd parte din categoria de pierderi energetice ale procesului sau agregatului respectiv, reprezentnd o resurs energetic secundar (RES).

Cldura apelor uzate industriale constitue o potenial surs de energie care este de multe ori neexploatat, deoarece este clasificat ca fiind surs de cldur cu potenial termic redus. Cantitativ aceast resurs poate fi foarte mare. De exemplu, la topire oelului n cuptorul electric cu arc atinge 12 15 % din totalul energiei consumate.

La SC. ArcelorMittal Hunedoara cldura evacuat cu apa de rcire este 109 kWh/t de oel topit adic circa 15 000 MWh/an, [12]. Acest potenial energetic ar putea fi reutilizat pentru mbuntirea energetic a desfurrii, eventual a aceluiai proces din care a rezultat sau a altui proces. Cldura acestor surse nu poate fi convertit n mod eficient n energie electric prin metode convenionale de generare a energiei i o cantitate mare de cldur cu temperatur moderat sau mic este pur i simplu irosit. n acest context cercetarea cu privire la modul de a converti cldura de potenial termic redus n surse de energie electric este de mare importan [1], [4].

Pentru conversia surselor de cldur de potenial termic redus n energie electric, au fost propuse i studiate diferite cicluri termodinamice, cum ar fi ciclul Rankine organic, ciclul Rankine supercritic, ciclul Kalina, ciclul Goswami etc. Dei ciclul Kalina este mai performant cu circa 3 % dect ciclul Rankine cu fluid organic, acesta din urm este mult mai puin complex i cu o ntreinere mai simpl.

Ciclul organic Rankine (ORC) se bazeaz pe principiul ciclului Rankine cu abur, dar utilizeaz fluide organice de lucru cu puncte de fierbere sczute, pentru a recupera cldura de la sursele cu temperaturi joase. n privina aspectelor de mediu pentru evitarea impactului negativ se utilizeaz n general fluide de lucru care conin fluor i atomi de carbon. n figura 2 se prezint o instalaie cu ciclul organic Rankine i o reprezentare grafic a aceatuia n diagram T-s.

439

Fig. 2 Ciclul organic Rankine

a) Instalaie cu ciclu organic Rankine; b) Diagrama T-s a ciclului ORC [2]

Ciclul ORC este configurat cu o turbin de expansiune, un condensator, o pomp, un cazan i un supranclzitor, cu condiia ca suprainclzirea s fie necesar. Instalaia cu ciclul organic Rankine (ORC) va folosi apele industriale uzate pentru a nclzi un fluid cu un punct de fierbere mai mic, iar presiunea ce va rezulta va aciona o turbin i un generator electric. Unitatea este capabil s recupereze cantiti mari de cldur cu potenial termic redus (30130 0C), generate de un proces industrial, care n prezent se pierde n atmosfer.

Dei este uor a recupera cldur din sursele cu temperaturi ridicate, provocarea actual const n dezvoltarea unor instalaii care pot genera continuu electricitate din excesul de cldur la temperaturi mai mici de 130 0C.

4. Aplicaii ale valorificrii cldurii apelor uzate industriale n Europa, Marea Britanie, Germania, Italia i Austria au neles

oportunitatea implementrii n industrie a acestei tehnologii care utilizeaz unitai ORC capabile s produc energie electric din fluxurile de deeuri de ap industrial uzat i gaze de ardere evacuate din instalaii industriale avnd cldura cuprins n intervalul de

440

temperatur de 30130C 0C.n Marea Britanie Proiectul DRD va fi realizat la firma Huntsman Pigments din Greatham, Hartlepool, folosind apa fierbinte pentru a genera pn la 200 kW energie electric, obinndu-se i o reducere a emisiei de CO2 de 600-750 tCO2/ an [3].

Tehnologia ORC ar putea fi folosit la o gam larg de site-uri industriale, inclusiv rafinrii, complexe petrochimice, oelrii, fabrici de ciment i fabrici de hrtie etc [6].

n Romnia, n prezent doar dou companii (SC Holcim SA Aled i SC Sortilemn SA Gherla) urmeaz s achiziioneze centrale ORC care produc energie electric din fluxurile de gaze de ardere.

5. Concluzii n condiiile provocrii actuale privind asigurarea resurselor

energetice i necesitatea stoprii nclzirii globale, recuperarea resurselor energetice secundare cu potenial redus reprezint o orientare de interes crescut.

Numeroase cercetri i realizri recente semnalizeaz o

preocupare deosebit pentru dezvoltarea unor tehnologii avansate de valorificare a cldurii din apele industriale uzate. Tehnologia bazat pe utilizarea ciclului Rankine cu fluide organice (O.R.C) pare a fi cea mai promitoare. Utilizarea ORC permite valorificarea cldurii reziduale de potenial termic redus n scopul obinerii de energie electric.

n Romnia exist un potenial important de resurse

energetice secundare cu temperaturi reduse neexploatat. Autorii consider c orientarea spre cercetare-dezvoltare n acest domeniu este oportun.

BIBLIOGRAFIE [1] Badea, A., Athanasovici, V., Valorificarea resurselor energetice secundare, Editura tehnic, Bucureti,1985. [2] Huijuan, Chen, D., Yogi, Goswami, Elias, K., Stefanakos, A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat, Renewable and Sustainable Energy Reviews,vol. 14 (2010), pag.3059-3067. [3] * * * Cogeneration & On-Site Power Production - ORC heat to power technology to be trialed in UK, United Kingdom, 2010. [4] Novac, A., Curs de tehnologii curate, Valorificarea resurselor secundare. Universitatea de Stat din Tiraspol, Chiinu. [5] Rusu, T., Protecia mediului industrial, Ediatura Mediamira, Cluj-Napoca, 2002.

441

[6] Vescovo, R., Palestra, N., Applicazione di Cicli ORC a Recuperi Termici da Processi Industriali, Conferenza AEIT, Catania, 27-29 Settembre 2009. [7] * * * Autorizaie Integrat de Mediu - nr. 15/ 27.11. 2006 , SC. ArcelorMittal SA Hunedoara. [8] * * * Autorizaie Integrat de Mediu - nr.96 /31.10.2007, SC Mechel SA, Cmpia-Turzii. [9] * * * Directiva 2009/28/EC, art.4(3) privind promovarea energiei regenerabile. [10] * * * NTPA 001/2002. Normativ privind stabilirea limitelor dencrcare cu poluani a apelor uzate industriale i oreneti la evacuarea n receptor naturali. [11] * * * Tehnologie de fabricaie a srmelor. Instruciuni tehnologice SC Mechel Cmpia Turzii SA, 2008. [12] * * * Contract de cercetare nr.23783/2011- Bilan energetic complex la Secia Oelrie S.C.ArcelorMittal Hunedoara. UTC-N, Cluj-Napoca, 2011. [13] Bejan, M., n lumea unitilor de msur, ediia a doua revzut i adugit. Editura Academiei Romne i Editura AGIR, Bucureti, 2005.

Drd.Ing Gabriela Liliana DEAC Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

e-mail: gabinect@yahoo.com

Prof.Dr.Ing. Tiberiu RUSU Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

e-mail: tiberiu.rusu@sim.utcluj.ro

442