Optimization model for expenditure of energy in the production process of hot mix asphalt in asphalt plants cyclic type

Gospodarski i tehnološki razvoj utječu na potrošnju energije čija je proizvodnja jedan od uzročnika onečišćenja okoliša, ali i trošenja obnovljivih i neobnovljivih izvora energije [1]. Projekcije ukazuju da će se u svijetu potrošnja energije i energenata do 2030. godine povećati za 50% u odnosu na današnju potrošnju, što implicira potrebom za energetskom održivosti [2]. Na sastanku Europskog vijeća održanog 8. i 9. ožujka 2007. godine izložen je i usvojen Akcijski plan za Energetsku politiku za Europu. Najznačajnije aktivnosti iz Akcijskog plana vezane su uz energetsku učinkovitost i obnovljive izvore energije [3]. Ciljevi Akcijskog plana za razdoblje do 2020. godine vezani su uz: - povećanje energetske učinkovitosti s ciljem ostvarivanja smanjivanja potrošnje energije u zemljama Europske unije za 20%; - povećanje udjela obnovljivih izvora energije za 20% u ukupnoj proizvodnji energije u zemljama Europske unije; - povećanje udjela proizvodnje i potrošnje bioloških goriva za 10% u ukupnoj potrošnji goriva u zemljama Europske unije [3]. Nacionalno zakonodavstvo u području energetske učinkovitosti čine: - Strategija energetskog razvitka RH (NN 130/09) [2]; - Program energetske učinkovitosti za RH 2008.–2016. godine [4]; - Prvi nacionalni akcijski plan za energetsku učinkovitost 2008.–2010. godine [5]. Nacionalno zakonodavstvo na području energetske učinkovitosti temelji se na ostvarivanju ciljeva sigurnosti opskrbe energijom, konkurentnosti energetskog sustava i ostvarivanju održivosti energetskog razvoja. U 2007. godini proizvodnja sirove nafte u svijetu iznosila je 84 523 milijuna barela [6]. Okvirna vrijednost potrebne energije za proizvodnju jedne tone vruće asfaltne mješavine je cca 85 kWh pri čemu se oslobodi 22 kg ugljikovog dioksida [7-8] 1. Ukupna svjetska proizvodnja vrućih asfaltnih mješavina u 2007. godini iznosila je približno 1600 milijuna tona [9]. Okvirni utrošak energije u proizvodnji tijekom 2007. godine iznosi 136×106 MWh/god, a u atmosferu je ispušteno 352×105 tona ugljikovog dioksida. Može se zaključiti da je tijekom 2007. godine sveukupna svjetska industrija proizvodnje vrućih asfaltnih mješavina (Hot Mix Asphalt) utrošila cca 0,28% cjelokupne svjetske proizvodnje sirove nafte [10]. Važno je napomenuti da je tijekom 2010. godine ukupna količina emitiranog ugljičnog dioksida u atmosferu tijekom izgradnje kolničke konstrukcije između 200 i 600 t/milja prometnice (1 kopnena milja je 1609,34 m) [11]. Današnji režim rada asfaltnih postrojenja podrazumijeva nedostatnu iskoristivost proizvodnih kapaciteta, znatan utrošak energenata uzrokovan nestalnom proizvodnjom asfaltnih mješavina i korištenjem hladnih i vlažnih kamenih frakcija 2. Proces proizvodnje asfaltnih mješavina na asfaltnim postrojenjima odvija se gotovo cijele godine i u vremenski nepovoljnim periodima. Takav rad uzrokuje nedostatnu iskoristivost radnih resursa, uvećanu potrošnju energije na zagrijavanje hladne i vlažne mineralne mješavine, grijanje i održavanje potrebne radne temperature uskladištenoga bitumena3. Cilj je optimalizacije proizvodnje asfaltnih mješavina povećati iskoristivost proizvodnih kapaciteta, smanjiti potrošnju fosilnih goriva uz oslobađanje manjih količina ugljičnoga dioksida, raspršivača i isparavanja te pravilnije korištenje resursa smanjenim utroškom radnih sati ljudi i mehanizacije te mehaničkog trošenja samog postrojenja. U ovom radu obradit će se sve etape rada cikličnoga asfaltnog postrojenja. Obradit će se svi bitni utjecaji na pojavljivanje nepotrebne i neplanirane potrošnje energije u procesu sušenja i zagrijavanja mineralne mješavine4. U istraživanju, koje je predmet ovoga rada, primijenit će se sustavni pristup rješavanja problema koji podrazumijeva: - definiranje i analizu problema – definiranje kritičnih mjesta u procesu proizvodnje asfaltnih mješavina; - specifikaciju varijabli koje utječu na proizvodnju – obradom postojećih baza podataka, objedinjavanjem svih poznatih utjecaja utvrđenih u analiziranom periodu od tri godine za tri različita asfaltna postrojenja, izvođenje potrebnih laboratorijskih ispitivanja – simulacija teoretskih utjecaja uz primjenu u proizvodnji na asfaltnom postrojenju5; - određivanje utjecajnih čimbenika na koje se može utjecati u budućoj proizvodnji primjenom predloženoga modela - odrediti praktično djelovanje utjecajnih čimbenika te moguću primjenu konkretnih mjera; - definiranje procesa proizvodnje. Sadržajno će se u radu istražiti postojeći režim proizvodnje vrućih asfaltnih mješavina na tri zasebna postrojenja u vremenskom razdoblju 2007.-2009. godine. Provest će se analiza ostvarenih troškova i utrošenih energenata u različitim režimima rada. Obradit će se kritična mjesta u ciklusu proizvodnje i prikazati izvedena laboratorijska ispitivanjima. Baza podataka obuhvaća podatke o proizvodnji nešto manje od milijun tona vruće asfaltne mješavine, proizvedene na tri asfaltna postrojenja cikličnoga tipa nazivnog proizvodnog kapaciteta 40, 100 i 150 t/h6. Podatci dobiveni temeljem praćenja dnevne proizvodnje asfaltnih mješavina, utrošenih energenata, vlažnosti i temperature kamene sitneži, te stvarnih kapaciteta proizvodnje, iskoristit će se za izradu novoga, kontroliranog režima rada i uvođenje djelotvornoga sustava praćenja utroška energije7. S obzirom na složenost skupa problema, formirana je znanstvena hipoteza: Smanjenjem sadržaja vlage i predgrijavanjem deponiranih kamenih frakcija rezultirat će određenom uštedom utroška energije u procesu sušenja i zagrijavanja mineralne mješavine u proizvodnji vrućih asfaltnih mješavina. Krajnji rezultat istraživačkog rada je ukazivanje na mogućnosti ostvarivanja koristi primjenom predloženog modela. Model uključuje ostvarivanje veće iskoristivosti proizvodnog kapaciteta (jer se nestalnost proizvodnje uzrokovana vremenskim i temperaturnim uvjetima umanjuje), smanjenje utroška energije i postizanje manje emisije ispušnih plinova, sve uz minimalna dodatna ulaganja8. Rad je podijeljen u sljedećih šest poglavlja: 1. Uvod U prvom dijelu rada definiran je skup problema, predmet rada, hipoteza (s pomoćnim hipotezama), svrha i ciljevi, obrazloženje i opravdanost istraživanja 2. Pregled stanja U drugom dijelu rada obrađen je povijesni pregled razvoja asfaltnih postrojenja u svijetu. Dani su statistički podatci o proizvodnji vrućih asfaltnih mješavina u Republici Hrvatskoj u razdoblju 2007.–2010. godine. Prikazana su trenutna svjetska istraživanja koja uzimaju u obzir utjecaj udjela vlage i temperature korištene mineralne mješavine na utrošak energije u procesu sušenja i zagrijavanja mineralne mješavine. Analizirana su i trenutna dostignuća skladištenja mineralne mješavine, proizvedenih asfaltnih mješavina i bitumena. 3. Analiza troškova rada asfaltnih postrojenja cikličnog tipa Treći dio obrađuje podjelu i analizu troškova proizvodnje na praćenim asfaltnim postrojenjima, analizu rada u promatranom vremenskom razdoblju 2007.–2009. godine te se uslijed toga daje detaljna analiza postojećega stanja9. 4. Razrada kritičnih mjesta u ciklusu proizvodnje vrućih asfaltnih mješavina U četvrtom dijelu detaljno su analizirana kritična mjesta u procesu proizvodnje vrućih asfaltnih mješavina10. 5. Model optimalizacije utroška energije u proizvodnji vrućih asfaltnih mješavina Peti dio rada donosi zaključke provedenih laboratorijskih ispitivanja frakcija kamenih agregata, odnosno mineralne mješavine uslijed stvarne proizvodnje asfaltnih mješavina. Uslijed toga izrađuje se model optimalizacije proizvodnje vrućih asfaltnih mješavina koji se temelji na interakciji djelovanja temperature i vlažnosti mineralne mješavine na utrošak energije. Za potrebe izvođenja modela izvode se sva potrebna laboratorijska ispitivanja korištene mineralne mješavine pri čemu se uzimaju u obzir i vremenski uvjeti rada. 6. Zaključak istraživanja Istraživanje se zaključuje obranom postavljene hipoteze i daju se obrazloženja o zadanim ciljevima rada. Predlažu se daljnje smjernice za istraživanja te se ukazuje na nedostatke i moguće oscilacije prilikom izrade daljnih poboljšanj