1. Energie-efficiëntie in procesindustrieën

Milieuzorgen worden steeds urgenter nu de gevolgen van mondiale opwarming wereldwijd schade veroorzaken. Veel bedrijven hebben besloten hun verantwoordelijkheid te nemen en milieubescherming, vaak via energiebesparing, opgenomen in hun bedrijfsbeleid. Hoewel voor sommige bedrijven de belangrijkste energieverbruikers duidelijk zijn, worstelen bedrijven in de sector van bulkvastestoffen soms om duidelijke manieren te vinden om hun ecologische voetafdruk te verbeteren, de impact van veranderingen te evalueren of haalbare investeringsvoorstellen voor energiebesparing op te stellen.

Dit artikel heeft als doel de verschillende mogelijkheden voor energiebesparing te bespreken die bedrijven die poederverwerkingsprocessen exploiteren of ontwerpen, kunnen benutten. Het richt zich op veelvoorkomende eenheidsoperaties in vrijwel alle bulkvastestofprocessen (pneumatisch transport, mengen, pulse-jetfilters, etc.). Andere bronnen van besparingen kunnen worden gevonden, maar deze zijn vaak specifieker voor de industrieën waarin het proces wordt toegepast en worden niet in detail besproken (spraydrogen, luchtbehandeling in voedingsmiddelen- of farmaceutische industrieën, etc.).

In het artikel worden voorbeelden van besparingsberekeningen gegeven. Deze zijn bedoeld om de lezer te helpen de orde van grootte van de te verwachten winst in te schatten en hem te begeleiden bij het opbouwen van een zaak richting het fabrieksmanagement om de benodigde veranderingen door te voeren.

2. Hoe het energieverbruik van bulkvastestofprocessen verminderen?

2.1 Pneumatisch transport: Verdunde fase

Pneumatisch transport vormt een hoeksteen in de verwerking van bulkvastestoffen en biedt veelzijdige oplossingen voor materiaaltransport. Verdund-fase-transport, gekenmerkt door zwevende vaste stoffen in de transportlucht, is een veelgebruikte methode vanwege de eenvoud en aanpasbaarheid. Het optimaliseren van verdund-fase-transportsystemen is echter essentieel om het energieverbruik te verminderen. Aanpassingen om te overwegen: Verbeterde operationele praktijken: Werk samen met experts in pneumatisch transport om transportparameters af te stemmen, zoals de snelheid van de blower en de beladingsverhouding van vaste stoffen, voor een optimale energie-efficiëntie. Automatiseringsintegratie: Implementeer timers en frequentiegestuurde aandrijvingen om de werking van de blower te reguleren en energieverspilling tijdens inactiviteit te verminderen.

In industrieën voor de verwerking van bulkvastestoffen is pneumatisch transport een van de voorkeursoplossingen voor het transporteren van materialen tussen eenheidsoperaties. Het kan allerlei lay-outs accommoderen en biedt een goede insluiting van materialen. Verdund-fase pneumatisch transport, waarbij de getransporteerde vaste stoffen in suspensie zijn in de transportlucht, is een van de meest voorkomende processen omdat het relatief eenvoudig te ontwerpen en te bedienen is.

De luchtverplaatser is meestal een Roots-blower die ofwel aan het begin van de lijn (druk-verdunde fase) ofwel aan het einde van de lijn (vacuüm-verdunde fase) kan worden geplaatst.

Uit ervaring blijkt dat de bediening van de transportleiding niet altijd goed wordt beheerst door fabrieksoperators. Wat voor operators in eerste instantie belangrijk is, is dat de lijn niet verstopt raakt en een gedefinieerde doorvoer bereikt. Zij zijn daarom geneigd de blower op hoge snelheid te laten draaien, wat hen veiliger lijkt (wat in werkelijkheid niet helemaal waar is). Deze blowers hebben motoren van meerdere kW.

De ingenieur die op zoek is naar energiebesparingen kan dan een snelle controle uitvoeren door de luchtsnelheid in de transportleiding en de beladingsverhouding van vaste stoffen te berekenen. Verdund-fase-transportleidingen hebben typisch een snelheid van 20 tot 30 m/s aan het einde van de leiding en een beladingsverhouding van vaste stoffen rond de 5 tot 10. Als de berekende waarden voor de leiding aanzienlijk afwijken met een hogere transportsnelheid en een lagere beladingsverhouding van vaste stoffen, dan is er mogelijk ruimte om de blowersnelheid te verlagen en energie te besparen. Een proef kan worden georganiseerd (altijd een risicoanalyse uitvoeren) met de hulp van een expert in pneumatisch transport om de optimale transportparameters te vinden.

Voorbeeld

Een blower wordt gebruikt om een product met 4,5 t/u in een fabriek te transporteren, terwijl de fabriek klaagt over een hoge breuk van het product.

Huidige omstandigheden

• Blower op 100%
• Prestatiegegevens van de blower geven aan dat bij een afvoer druk van 520 mbar(g) een debiet van 1066 Nm³/u en een asvermogen van 20,6 kW wordt geleverd.
• De luchtsnelheid bij productopname is dan 29,8 m/s onder de afvoeromstandigheden van de blower.
• De vaste-stof/lucht-verhouding is 4,5/1,3 = 3,46

In de meeste gevallen ligt de benodigde opnamesnelheid rond de 16 tot 20 m/s (deze kan empirisch worden bepaald of geschat met behulp van correlaties voor het berekenen van de saltatiesnelheid). De beladingsverhouding van vaste stoffen voor verdund-fase-transport kan tussen 5 en 10 liggen. De ingenieur adviseert een proef om de blower langzamer te laten draaien, met als doel 20 m/s aan het begin van de leiding.

Nieuwe omstandigheden

• Blower op 66%, afvoerend ongeveer 700 Nm³/u lucht
• De proef toont een drukval van 400 mbar(g). Prestatiegegevens van de blower worden gebruikt om het asvermogen voor deze snelheid en druk te berekenen: 11 kW.
• De beladingsverhouding van vaste stoffen is 4,5/0,858 = 5,2
• De druk is stabiel en de ingenieur besluit onder deze omstandigheden door te gaan.

Besparingen kunnen als volgt worden berekend:

• De leiding draait 8000 u/j
• Totale besparing (20,6 - 11) * 8000 = 76.800 kWh
• Prijs van kWh in het land = 10 cent
• Besparing = 7.680 USD/jaar

Het is interessant om op te merken dat het optimaliseren van de luchtsnelheid ook voordelen heeft zoals het verminderen van materiaalslijtage tijdens transport en het verminderen van pijpslijtage, wat voordelen biedt op het gebied van kwaliteit en onderhoud.

Nog een interessant punt bij verdund-fase-transport is dat in veel gevallen de leiding draait... zonder product te transporteren! Om de automatisering te vereenvoudigen en risico's te vermijden die verband houden met frequent starten en stoppen van de blower, kunnen fabrieksoperators geneigd zijn de blower gewoon te laten draaien tussen twee producttransfers. Dit is energieverspilling die eenvoudig kan worden aangepakt door een timer te implementeren die het systeem automatisch uitschakelt na een bepaalde tijd en, voor blowers met frequentiegestuurde aandrijving, de blowersnelheid te verlagen tijdens wachttijden. Dit kan snel interessante besparingen opleveren voor de fabriek zonder kosten.

2.2 Dichte-fase druktransport

Optimalisatiestrategieën: Evaluatie van het transportregime: Beoordeel de luchtsnelheid en de beladingsverhouding van vaste stoffen om ervoor te zorgen dat de werking binnen de dichte-fase-modus plaatsvindt, met minimalisering van het verbruik van perslucht. Parameterafstelling: Stel timers en klepinstellingen nauwkeurig af om efficiënt materiaaltransport te bereiken met minimale energie-inzet. Eliminatie van spoeloperaties: Vermijd onnodige spoeloperaties van de leiding na transport om het energieverbruik verder te verminderen.

Dichte-fase druktransport kan ook een belangrijke bron van energieverspilling zijn als het proces niet goed beheerst of onderhouden wordt. Vaste stoffen worden getransporteerd met behulp van perslucht die blowtanks en de transportleiding onder druk zet. Omdat perslucht duur is om te produceren, zal elk overmatig verbruik snel aanzienlijke kosten met zich meebrengen.

Het controleren van de transportparameters en met name het berekenen van het daadwerkelijke massadebiet van lucht dat wordt gebruikt om product te transporteren, is een goede reflex. Dichte-fase druktransport moet worden ontworpen om met lage snelheid (typisch 3-8 m/s) en hoge beladingsverhoudingen van vaste stoffen (typisch > 30) te transporteren. Als de ingenieur tot de conclusie komt dat de luchtsnelheid aanzienlijk hoger is en de beladingsverhouding van vaste stoffen aanzienlijk lager dan deze waarden, dan is er waarschijnlijk ruimte voor verbetering. Het bereiken van het juiste transportregime zal het luchtverbruik verminderen en besparingen genereren.

Voorbeeld

Een fabriek transporteert een grondstof in dichte fase. Wanneer de ingenieur de procesgegevens bestudeert, merkt hij op dat de druk vrij laag is, wat hem ertoe aanzet de beladingsverhouding van vaste stoffen te berekenen. De leiding transporteert 4,5 t/u aan product en gebruikt ongeveer 350 Nm³/u.

Huidige omstandigheden

• Vaste-stof/lucht-verhouding = 4500 / (350 * 1,2) = 10,7

10,7 is een lage beladingsverhouding van vaste stoffen; het transport is waarschijnlijk NIET in dichte fase. De ingenieur raadpleegt het rapport van de proefinstallatie en verneemt dat dit product bij een verhouding van 30 getransporteerd kan worden.

Nieuwe omstandigheden

• Het luchttransportdebiet kan worden berekend voor een verhouding van 30: 4500 / (30 * 1,2) = 125 Nm³/u.
• Er wordt een test georganiseerd. De ingenieur stelt de timers af voor het openen van de verschillende luchtkleppen in het systeem en verkrijgt een stabiele druk. De transportdruk is hoger, omdat er meer materiaal in de leiding zit, maar het transport vindt plaats in dichte fase.

Besparingen

• De leiding verbruikt 225 Nm³/u minder perslucht.
• Kosten van 1 Nm³ perslucht in de fabriek = 1 cent

De leiding draait ongeveer 4000 u/j (batchtransport)

• Besparing = 225 * 4000 * 0,01 = 9.000 USD

Dichte-fase-transportsystemen moeten worden ontworpen om sterke spoelingen van de leiding aan het einde van een transport te vermijden (zelfs als dit soms vereist is door specifieke producteigenschappen). Het elimineren van dergelijke operaties uit de transportsequentie kan ook leiden tot besparingen.

2.3 Filters

Operationele efficiëntie: Optimalisatie van pulse-interval: Bepaal optimale pulse-intervalen op basis van stofbelasting en filtergrootte om het verbruik van perslucht te minimaliseren. Drukvalmonitoring: Implementeer drukvalmonitoring om pulse-intervalen te verfijnen en effectieve filterreiniging te garanderen zonder onnodige energie-inzet. Automatiseringsbenutting: Gebruik automatiseringssystemen om pulse-intervalen te reguleren en filterreiniging af te stemmen op operationele vereisten voor verbeterde energie-efficiëntie.

Veel filters zijn uitgerust met een perslucht-pulse-jet-systeem om ze te ontstoppen. Dit geldt met name voor filters die zich bij ontvangers van transportleidingen bevinden, die meestal vrij groot zijn (meerdere m²). Het pulse-jet-systeem wordt vaak bestuurd door een timer met een zeer frequent interval. Bij een bezoek aan een fabriek kun je gemakkelijk horen dat een filter waarvan het pulse-jet-systeem niet correct is ingesteld, perslucht verspilt.

Voor dergelijke filters is pulsen om de 30s tot 1 minuut meestal een goed startpunt, dat verder kan worden verfijnd door de drukval over het filter te monitoren en dienovereenkomstig aan te passen. Ook is het niet nodig om de terugspoeling van het filter lang te laten doorgaan nadat het transport is beëindigd. Potentiële besparingen zijn meestal groter dan fabriekseigenaren verwachten, rekening houdend met alle filters in een proces.

Voorbeeld

Een klein filter van 6 m² heeft een pulse-jet-systeem met een 10-liter persluchttank onder 4 bar(g) voor het reinigen van het filter. Het filter wordt om de 15 seconden gereinigd, maar de stofbelasting is laag, wat de ingenieur ertoe aanzet om het pulsen te wijzigen in 1 minuut.

Huidige omstandigheden

• Luchtverbruik/u = (3600/15) * 4 * 10 = 9.600 l/u = 9,6 Nm³/u

Nieuwe omstandigheden

• Luchtverbruik/u = (3600/60) * 4 * 10 = 2.400 l/u = 2,4 Nm³/u

Besparingen

• Bedrijfstijd van de leiding = 8.000 u/j
• Besparing = (9,6 - 2,4) * 8.000 = 57.600 Nm³/j
• Bij een kostprijs van 1 Nm³ van 1 cent bedraagt de besparing 576 USD/j
• Aangezien er veel dergelijke filters in een installatie aanwezig zijn, kunnen de besparingen oplopen van honderden tot duizenden dollars per jaar. De besparingen zullen meer of minder significant zijn, afhankelijk van de grootte van het filter, aangezien grote filters persluchtverdelers tot 30 liter kunnen hebben.

2.4 Mengen (batch/partij)

Mengers zijn meestal uitgerust met motoren van meerdere kW. Optimalisatie van het proces levert hier niet altijd zeer grote besparingen op, maar helpt wel bij het ontwikkelen van een mentaliteit die, toegepast op de gehele poederverwerkingslijn, positief zal bijdragen aan kostbesparingen en milieuzorg.

De actie hier is het optimaliseren van de mengtijd, zodat de motor van de menger alleen wordt ingeschakeld wanneer dat noodzakelijk is. Industriële observaties tonen aan dat batchmengers (partijmengers) vaak niet op hun optimale punt worden bediend. Het uitvoeren van een juiste mengvalidatie helpt bij het bepalen van de minimale mengtijd die nodig is om de homogeniteitsdoelstelling van de fabrikant te bereiken. Het besparen van 1 tot 5 minuten per batch kan aanzienlijk zijn wanneer een menger zeer frequent wordt gebruikt. Het berekenen van potentiële besparingen wordt hieronder uitgelegd. Men moet echter opmerken dat het optimaliseren van de cyclusduur van de menger als primair gevolg zal hebben dat de productiecapaciteit toeneemt, de productiekosten dalen, investeringen in nieuwe apparatuur worden vermeden en zo sterke besparingen worden gegenereerd.

Voorbeeld

Een fabriek gebruikt een dubbelas-peddelmenger uitgerust met een 15 kW motor

Huidige situatie

• Totale mengtijd = 4 min

De ingenieur stelt dat dubbelas-peddelmengers zijn ontworpen voor korte mengtijden in de orde van 1-2 minuten. Omdat er mogelijk optimalisatiepotentieel is, wordt een nieuwe validatie van de homogeniteit uitgevoerd. Hieruit blijkt dat het mengsel de homogeniteitsdoelstelling bereikt na 2 minuten mengen.

Nieuwe situatie

• Totale mengtijd = 2 min

Besparingen

• 10 batches / u, 5000 u/jaar (rekening houdend met stilstand voor omstelling... etc...)
• 10 * 5000 = 50.000 batches / j
• Besparing = 50.000 * 2 / 60 * 15 = 25.000 kWh
• Kosten aangenomen 10 cent / kWh, besparing = 2.500 USD / j

2.5 Ontwerp

Energiebesparende ontwerpprincipes: Lay-outvereenvoudiging: Kies voor een eenvoudige lay-outconfiguratie om drukval en energieverbruik te minimaliseren. Optimalisatie van apparatuur: Zorg ervoor dat de afmetingen van de apparatuur passend zijn om onnodig energieverbruik te voorkomen. Automatiseringsintegratie: Ontwerp automatiseringssystemen om de bediening van apparatuur te optimaliseren en energieverspilling tijdens inactiviteit te minimaliseren. Maximalisering van zwaartekrachtstroom: Geef prioriteit aan zwaartekrachtgebaseerde materiaalstroom om de afhankelijkheid van mechanische of pneumatische transporteurs te verminderen en zo energie te besparen.

Hoewel veel energiebesparingen kunnen worden gerealiseerd door het optimaliseren van bestaande installaties, zullen deze besparingen nog betere milieu- en economische resultaten opleveren als ze in het ontwerp zijn verwerkt. De volgende adviezen moeten worden opgevolgd om een concurrerende bulkhandlingsinstallatie te ontwerpen:

• Eenvoudige lay-out van pneumatische transportleidingen: extra lengte en bochten veroorzaken extra drukval en dus extra energieverbruik
• Bepaal experimenteel de minimale transport-snelheid van het te transporteren materiaal. Zoals aangetoond, leidt een hogere snelheid dan vereist tot aanzienlijk energieoverschot
• Controleer de marges die door de fabrikant zijn aangehouden: ventilatoren zijn soms te groot uitgevoerd
• Een nakoeler wordt vaak geplaatst na een ventilator in drukverdunde-fase-transport: dit is echter niet altijd noodzakelijk, installeer deze alleen als is bewezen dat het systeem of het product de temperatuurstijging als gevolg van de compressie door de ventilator niet kan verdragen.
• Voer voor dichtfase-transport experimentele proeven uit om de leiding te ontwerpen die een zo hoog mogelijke beladingsverhouding kan transporteren
• Ontwerp het automatiseringssysteem zodanig dat een leiding niet zonder product draait. Voorzie een timer om de leiding uit te schakelen als er gedurende een bepaalde tijd geen vraag is.
• Geef de voorkeur aan poederstroom door zwaartekracht, wat het gebruik van transportleidingen, mechanisch of pneumatisch, vermindert
• Zorg ervoor dat behandelde lucht niet verloren gaat, maar wordt gerecycleerd

2.6 Onderhoud

Efficiëntie behouden: Regelmatige inspecties: Voer periodieke inspecties uit van persluchtsystemen om inefficiënties op te sporen en te verhelpen, zodat een optimale werking wordt gegarandeerd. Lekdetectie: Gebruik lekdetectiemechanismen om persluchtlekkages snel te identificeren en te repareren, om energieverspilling te voorkomen. Operatoropleiding: Geef uitgebreide training aan operators over het onderhouden en optimaliseren van persluchtsystemen, om een cultuur van energiebewustzijn en efficiëntie te bevorderen.

Ervoor zorgen dat het proces energie-efficiënt is ontworpen, is een eerste en noodzakelijke stap. Op de lange termijn zullen besparingen echter tot uiting komen door strikt onderhoud van de procesapparatuur. Dit geldt met name voor het verbruik van perslucht, aangezien drukregeleinrichtingen gemakkelijk verkeerd kunnen worden ingesteld of solenoïden na verloop van tijd kunnen falen, wat leidt tot een verhoogd verbruik van perslucht.

Alle instellingen voor perslucht moeten regelmatig, minstens wekelijks, door de operators in kaart worden gebracht en gecontroleerd. Deze regelmatige inspecties zijn ook een gelegenheid om lekkages van perslucht op te sporen die af en toe voorkomen bij fittingen en die zeer kostbaar kunnen zijn als ze niet onmiddellijk worden aangepakt.

3. Conclusies

Het is mogelijk om vele bronnen van energiebesparing te vinden in een bulkhandlingsproces, waarbij dit artikel zich slechts richt op enkele daarvan. Besparingen zijn niet altijd individueel zeer hoog, maar een systematische aanpak maakt het mogelijk om individuele bronnen van besparing op te tellen, wat samen een aanzienlijke verbetering van de concurrentiekracht van een proces kan betekenen. Een juiste instrumentatie en onderhoud van de installatie zullen ervoor zorgen dat deze dicht bij het energetische optimum presteert en zullen helpen om milieubewustzijn binnen het bedrijf te ontwikkelen.

Samenvattend:

Tabel 1: Tips voor energiebesparing in poederverwerkende procesindustrieën

Gebied	Ontwerp	Besparingen in	Bedrijfsvoering
Verdunde-fase pneumatisch transport	Elektriciteit	# Ontwerp de installatie niet te ruim # Werk aan de leidinglay-out om deze zo eenvoudig mogelijk te maken; dit zal de drukval en het energieverbruik verminderen # Gebruik bewezen ontwerpberekeningstools om het ontwerp te optimaliseren	# Voorzie timers om de ventilator uit te schakelen als er gedurende enige tijd geen transport plaatsvindt # Stel de ventilatorsnelheid af om de transportsnelheidte optimaliseren. Transport met te hoge snelheid zal veel elektriciteit verbruiken en kan het materiaal beschadigen # Monitor de druk om er zeker van te zijn dat er geen verstopping is die kan leiden tot hogere compressieverhoudingen en energieverbruik
Dichte-fase pneumatisch transport	Perslucht (Elektriciteit)	# Voer proefinstallatietesten uit om de vaste-stof-beladingsverhouding te optimaliseren; minder lucht per kg getransporteerd product zal de belasting op compressoren verminderen en besparingen genereren	# Vermijd doorspoelen aan het einde van het transport als dit niet nodig is; dit verbruikt veel perslucht # Controleer de drukregeleinrichting om overmatig verbruik van perslucht te voorkomen. Bereken af en toe de vaste-stof-beladingsverhouding opnieuw om te verifiëren dat de leiding correct presteert
Mengen	Elektriciteit	# Optimaliseer het ontwerp zodat de installatie zo veel mogelijk wordt gebruikt	# Optimaliseer de mengtijd om te voorkomen dat de motor van de menger, die meerdere kW vermogen heeft, te lang draait zonder homogeniteits verbetering
Luchtbehandeling	Elektriciteit, stoom, gekoeld water	# Verminder luchtlekkage in gebouwen # Recirculeer gereinigde proceslucht waar mogelijk, dit vermindert de behoefte aan behandeling van externe lucht. De luchbehandelingsunit (AHU) moet hiervoor geschikt zijn ontworpen	# Monitor de luchttemperatuur en relatieve vochtigheid in het gebouw en zorg ervoor dat deze binnen specificaties blijft
Algemeen onderhoud	Perslucht (Elektriciteit)		# Maak een inspectiechecklist voor alle drukregelaars in de procesleidingen, met name voor de luchtspoeling van lagerafdichtingen, filters in het puls-jet-systeem of wervelbedsystemen in trechters