Sposoby ograniczania zużycia energii w przemyśle gumowym

W czasach, gdy energia elektryczna i gaz stają się coraz droższe, warto zastanowić się nad tym, w jaki sposób ograniczyć ich zużycie, tak by zminimalizować ponoszone przez firmę koszty. Kwestia ta dotyczy przedsiębiorstw działających w każdym sektorze przemysłu, a więc także tych reprezentujących branżę gumową.

Koszty energii elektrycznej i gazu rosną, co przy równoczesnym wzroście cen surowców powoduje, że producenci wyrobów z tworzyw sztucznych i gumy zaczynają coraz silniej odczuwać finansową presję - nikt raczej nie zakłada, że w najbliższym czasie tendencje te ulegną zmianie. Oczywiście można potraktować opłaty za energię jako "problem kogoś innego", odpowiednio skalkulować koszty ogólne i stałe, wliczyć je w cenę wyrobów i przerzucić na odbiorców.

Nie o to wszak chodzi, bo postępując w ten sposób ogranicza się konkurencyjność firm na rynku. W rzeczywistości koszty energii są zmienne i można je kontrolować. Dzięki dobrym praktykom zarządzania - chociażby wdrażając normy ISO 14001 i ISO 5001 - można zmniejszyć jej zużycie, uzyskać przewagę rynkową i zwiększyć zyski przedsiębiorstwa. Idealnie byłoby, gdyby polityka energetyczna była częścią szerszej strategii środowiskowej firmy, co przekłada się na korzyści wizerunkowe. Ważne jest też podnoszenie świadomości pracowników w zakresie wprowadzanych programów oszczędzania energii, które powinny być promowane wewnątrz firmy.

Jak to zwykle bywa, zanim firma stanie się energooszczędna trzeba zebrać informacje odnośnie do bieżącego zapotrzebowania na energię oraz dowiedzieć się gdzie, kiedy, dlaczego i ile się jej zużywa. Wiąże się to z poniesieniem kosztów inwestycyjnych związanych chociażby z ustaleniem stosownych punktów odniesienia, audytami energetycznymi oraz opracowaniem i wdrożeniem planów oszczędnościowych.

Przed wykonaniem audytu energetycznego zaleca się sporządzenie wykazu wszystkich głównych urządzeń zużywających energię. Wykaz może mieć postać schematu blokowego lub prostej listy. Głównymi odbiornikami energii elektrycznej w przemyśle gumowym są silniki i napędy urządzeń, układy grzewcze, systemy chłodzenia i oświetlenie.

Opłacalne może być zainstalowanie podliczników na poszczególnych stanowiskach pracy, celem obliczenia kosztu energii dla każdej operacji i identyfikacji najbardziej energochłonnych obszarów (oczywiście technolog bez większego problemu, intuicyjnie, wskaże najbardziej energochłonne miejsca, niemniej jednak chodzi o zebranie danych „ilościowych”). Ważne jest także ustalenie ilości energii niezbędnej do ogrzewania, oświetlenia, zasilenia sprężarek i pomp, gdy w ogóle nie ma produkcji – zmiany w tej sferze to pewny sposób na uzyskanie oszczędności. W idealnej sytuacji energia powinna być wykorzystana tylko do wytworzenia dobrych wyrobów, a więc liczy się też efektywność produkcji.

Przy szacowaniu ilości zużywanej energii warto zwrócić uwagę m.in. na stan izolacji termicznej urządzeń, czy występują nieszczelności w systemach przesyłowych (sprężonego powietrza, wody, pary), czy właściwie dobrana jest moc silników zamontowanych w maszynach, czy stanowiska pracy wyposażone są w instrukcje zawierające odpowiednie ustawienia i czy są one wdrażane podczas produkcji.

Wysokie nakłady energetyczne wiążą się z procesem wytwarzania mieszanek kauczukowych zarówno w mieszarkach zamkniętych (mikserach), jak i na walcach. Warto odpowiedzieć sobie na pytania dotyczące tego, w jaki sposób zużywana jest dostarczana energia i jakie jest faktyczne zapotrzebowanie na nią. Odpowiedź na pierwsze pytanie można uzyskać, sporządzając bilans energetyczny. Drugie pytanie wiąże się ze zrozumieniem mechanizmów mieszania i teoretycznych obliczeń.

Jeśli chodzi o bilans energetyczny, to do tej pory łatwiej było go wykonać dla mieszarek zamkniętych, ponieważ w przypadku walcarek proces mieszania wymaga udziału operatora (nie jest zautomatyzowany). Na szczęście obecnie i tutaj z pomocą przychodzą innowacyjne rozwiązania dla Przemysłu 4.0. Drugie pytanie wymaga podejścia naukowego - wyjaśnienia mechanizmów mieszania i obliczenia teoretycznych wymagań energetycznych.

Na przestrzeni lat technolodzy skrupulatnie przeanalizowali proces mieszania w mikserach, co przyniosło m.in. zmiany w konstrukcji napędu, rotorów, układów chłodzenia, uszczelnień przeciwpyłowych. Siłowniki pneumatyczne zastępowane są hydraulicznymi, które pozwalają na bardziej precyzyjną kontrolę położenia stempla dociskowego i ciśnienia w komorze mieszalnika. Szczegóły można znaleźć w specjalistycznych czasopismach naukowych. Najważniejsze, że współczesne miksery łączą niskie zużycie energii z wysoką wydajnością.

Wyposażenie mikserów i walcarek w systemy informatyczne pozwala zbierać dane dotyczące ich kondycji oraz przewidywać wystąpienie usterki. Napędy nowej generacji wyposażone w przetwornice częstotliwości, w połączeniu z pompami hydraulicznymi, pozwalają na pracę urządzeń z optymalną wydajnością niezależnie od obciążenia. Rejestrowane dane zapewniają kontrolę nad powtarzalnością procesu dla poszczególnych cykli produkcyjnych.

Chcąc obniżyć zużycie energii w procesie sporządzania mieszanek kauczukowych, możemy zastosować szereg substancji pomocniczych (ang. processing aids, processing additives, processing promoters) ułatwiających dyspersję i homogenizację składników oraz upraszczających przeprowadzenie kolejnych operacji technologicznych. W odróżnieniu od zmiękczaczy, dodaje się je do mieszanek kauczukowych w stosunkowo małych ilościach. Zazwyczaj są nimi sole metali nienasyconych kwasów tłuszczowych, kompleksy metali, mieszaniny estrów tłuszczowych kwasów, amidów i alkoholi, faktysy (wulkanizowane oleje roślinne) oraz mieszanki żywic węglowodorowych. Gama tego typu produktów dostępnych na rynku jest naprawdę szeroka.

Wymienione środki pomocnicze dzieli się na kilka kategorii, w tym smary wewnętrzne/dyspergatory, smary zewnętrzne i peptyzatory. Dyspergatory ułatwiają poślizg między makrocząsteczkami kauczuku, skutecznie zwilżają powierzchnię napełniaczy, a tym samym poprawiają ich dyspersję w matrycy polimerowej.

Smary zewnętrzne charakteryzują się niską mieszalnością z kauczukiem i mają tendencję do migracji na powierzchnię mieszanek, ułatwiając tym samym późniejsze operacje przetwórcze - wytłaczania czy wtrysku - poprzez zmniejszenie oporów przepływu w urządzeniach produkcyjnych. Peptyzatory są zaś akceptorami wolnych rodników lub katalizatorami utleniania, które skutecznie usuwają wolne rodniki powstające w trakcie wykonywania mieszanki kauczukowej. Hamują rekombinację makrorodników i ułatwiają uplastycznianie kauczuku.

Znaczne ilości środków pomocniczych stosuje się w przemyśle oponowym. Wśród producentów artykułów technicznych podejście do wykorzystania tego typu substancji jest zróżnicowane. Niektórzy stosują je jako standard, inni jako dodatek do niektórych typów mieszanek (w zależności od używanych urządzeń), jeszcze inni uważają, że nie mają one żadnego wpływu. Z całą pewnością, ze względu na różnorodność dostępnych na rynku produktów i ich złożony skład, dokonanie właściwego wyboru jest trudne. Dlatego też warto zadbać o jakość stosowanych surowców i ich zgodność ze specyfikacjami, aby ograniczyć produkcję mieszanek niespełniających wymagań.

Aby skrócić czas sporządzania mieszanek w wytwórniach, bele kauczuku kondycjonuje się (podgrzewa) przed operacją mieszania. Tradycyjna metoda polega na wykorzystaniu pomieszczenia magazynowego ogrzanego do 80°C, w którym materiał jest przechowywany przez kilka dni. Duże oszczędności w poborze energii można uzyskać, jeśli zadba się o właściwą kubaturę takiego pomieszczenia oraz zapewni się odpowiednią izolację jego ścian i stropu. Kolejnym krokiem w kierunku energooszczędności będzie rozmieszczenie surowców w sposób ułatwiający ich ogrzewanie i umożliwiający właściwą cyrkulację powietrza. Dodatkowo, użycie wentylatorów pozwoli zniwelować zjawisko stratyfikacji ciepła w pomieszczeniu (ciepłe powietrze rozwarstwia się w każdym pomieszczeniu, co może powodować znaczne różnice temperatur między podłogą a sufitem, nawet do 15°C).

Oczywiście można zastosować do podgrzewania kauczuków i mieszanek urządzenia mikrofalowe, jednak w tym przypadku koszty inwestycyjne są znaczne. Dla niedużych, średnich i małych przedsiębiorstw opisane wyżej, proste czynności wydają się bardziej racjonalne. Jeśli producent wyrobów gumowych kupuje niewielkie ilości mieszanek, wystarczy że przed przystąpieniem do konfekcjonowania podgrzeje je i odświeży na walcach.

Wytwórcy mogą poszukiwać oszczędności w optymalizacji pracy chłodnic festonowych wykorzystywanych do chłodzenia wyprodukowanych mieszanek kauczukowych. Bardziej efektywne będą urządzenia wykorzystujące przeciwprądowe przepływy powietrza (w kierunku przeciwnym do zasilania mieszanką), ale większe oszczędności można uzyskać wyłączając wentylatory w momencie, gdy cały arkusz gumy jest już schłodzony. Teoretycznie jednostkowe zużycie energii podczas formowania gumy wynosi 0,1 kWh/kg, ale rzeczywiste wyniki wahają się od 0,3 kWh/kg do 2 kWh/kg, co daje sprawność na poziomie 33% i 5%. Większość wydatkowanej energii jest tracona do ogrzania maszyn, form i otoczenia.

Straty ciepła są głównym źródłem niskiej efektywności, ale można je zmniejszyć, właściwie izolując elementy urządzeń formujących. Z pewnością szybko da się zauważyć niższe zapotrzebowanie na energię elektryczną czy parę. Ponadto poprawi się komfort pracy i bezpieczeństwo operatorów maszyn.

Oszczędności przyniesie również optymalizacja procesu wulkanizacji - parametrów takich jak temperatura, czas i ciśnienie. Guma słabo przewodzi ciepło i zwiększanie temperatury nie jest technologicznie uzasadnione. Wyrób w takim przypadku może być przewulkanizowany od zewnątrz, podczas gdy w środku proces sieciowania nie zajdzie w wystarczającym stopniu. Tego typu zjawisko można zaobserwować zwłaszcza w przypadku wyrobów grubościennych i wielkogabarytowych. Przy wyznaczaniu optymalnego czasu wulkanizacji warto posłużyć się wykresem z reometru lub skorzystać z informacji o optymalnym czasie wulkanizacji podanych przez producenta. Zbyt duży nacisk na formę wulkanizacyjną może doprowadzić do jej uszkodzenia lub przedwczesnego zużycia.

Optymalizacja procesu wulkanizacji zapewnia nie tylko mniejsze straty energii, ale również lepszą jakość wytwarzanych wyrobów i mniejszą ilość odpadów. Poprawia się ekonomika produkcji. Oprócz izolacji urządzeń ogrzewanych elektrycznie, warto przeprowadzić modernizację układów kontrolujących temperaturę.

Urządzenia do wulkanizacji nagrzewają się dość długo, dlatego warto wyposażyć je w zegary umożliwiające wcześniejsze, automatyczne załączenie tak, aby były gotowe do pracy przed rozpoczęciem zmiany. Pozytywne efekty przyniesie także kontrola i zapewnienie właściwych nastaw w czasie pracy, bowiem operatorzy mogą „podkręcać” ustawienia. Zwiększy się w ten sposób produktywność, zwłaszcza w małych zakładach wytwórczych.

Wulkanizację wyrobów gumowych prowadzi się także w sposób ciągły, bezciśnieniowy, w ciągach solnych lub powietrznych. Nowoczesne elektryczne lub gazowe linie wulkanizacyjne w kąpieli solnej imponują wysoką wydajnością w połączeniu z niskim jednostkowym zużyciem energii. W zależności od długości linii i składu mieszanki, prędkość produkcji może sięgać nawet 80 m/min. Obsługa linii do wulkanizacji w stopionych solach o przestarzałej konstrukcji może wiązać się z mniejszymi lub większymi komplikacjami (ale to już temat na osobny artykuł). W przypadku ciągów powietrznych do wulkanizacji profili stosuje się głównie kombinacje emiterów podczerwieni (IR), systemów gorącego powietrza (HL) i systemów mikrofalowych (UHF). Wymienione metody wykorzystywane indywidualnie powodują, że profil nie nagrzewa się równomiernie. W wyniku działania promieniowania podczerwonego i konwekcyjnego ogrzewania gorącym powietrzem profil jest przegrzewany na powierzchni (która ulega degradacji), a ciepło dociera do środka przekroju z opóźnieniem. Chociaż promieniowanie mikrofalowe nagrzewa cały przekrój profilu materiału (tylko materiału polarnego lub elektrycznie lub jonowo przewodzącego), to zachodzący proces podlega dużym fluktuacjom. Ogólnie rzecz ujmując, profile będą właściwie zwulkanizowane jeśli połączy się odpowiednio systemy IR, HL i UHF oraz dostosuje się ich działanie do konkretnego materiału.

Problemy dotyczące energii cieplnej w procesach ciągłej wulkanizacji stanowią niezwykle złożone zagadnienie. Transportowane profile gumowe muszą być nagrzewane w jak najkrótszym czasie i możliwie jednorodnie w całym przekroju, przy jak najmniejszym nakładzie energii. Do niedawna kombinacje systemów IR, HL i UHF oraz ilość dostarczanej energii były ustalane w oparciu o wiedzę i doświadczenie specjalistów; dogłębna analiza energetyczna, nie mówiąc już o pomiarze zintegrowanym z procesem, nie była możliwa. W ostatnich latach opracowano system testowo-pomiarowy (firmy Gerlach Maschinenbau i IKV) do optymalizacji procesu, który umożliwia pomiary temperatury podczas wulkanizacji profili gumowych. Aby móc ocenić efektywność energetyczną różnych mechanizmów transferu energii, prowadzi się także pomiary z wykorzystaniem dynamicznej kalorymetrii skaningowej (DSC). W celu ograniczenia liczby eksperymentów na potrzeby projektowania procesu dla nowych produktów, prowadzi się też symulacje procesu ogrzewania dla różnych materiałów i geometrii profili.

Ciąg wulkanizacyjny byłby niczym bez wytłaczarki. Niezależnie od wieku maszyny ważne jest, aby była ona wyposażona w ślimak o odpowiedniej konstrukcji i stosunku długości do średnicy (L/D), zapewniający właściwą wydajność dostosowaną do potrzeb produkcji. Optymalizacja prędkości wytłaczania maksymalizuje ciepło z pracy mechanicznej i minimalizuje ilość potrzebnej energii elektrycznej. Istotna jest dokładna kontrola temperatury - przekroczenie optymalnych temperatur przetwarzania może skutkować podwulkanizowaniem mieszanki.

Wytłaczanie to nie tylko końcowy proces formowania produktu, ale także proces pośredni dla innych technik przetwarzania, takich jak formowanie. Marnotrawstwem jest używanie dużych wytłaczarek do konfekcjonowania profili o niewielkich przekrojach.

Wydajnie generowana i umiejętnie kontrolowana para technologiczna jest znacznie tańszym źródłem ciepła niż energia elektryczna, zwłaszcza w przypadkach, gdy zapewniona jest wysoka sprawność kotła i systemu dystrybucji. W celu oszczędności warto zmniejszyć zapotrzebowanie na parę technologiczną, optymalizując proces wulkanizacji w autoklawach, ograniczając straty ciepła w instalacji przesyłowej i maksymalizując wydajność wymiany ciepła poprzez zapobieganie osadzaniu się i usuwanie kamienia kotłowego oraz śladów korozji, a także unikanie zalewania wymienników ciepła kondensatem.

W zakładach, w których zużycie pary spadło, system jej generowania i przesyłu jest zazwyczaj zbyt duży w stosunku do potrzeb i generuje wysokie koszty utrzymania oraz obsługi. Dlatego warto w odpowiednim momencie podzielić ten system na kilka mniejszych, zasilanych przez lokalne kotły gazowe lub elektryczne, które można uruchamiać stopniowo, w zależności od okoliczności.

Rozpatrując kwestie energooszczędności, często jako drugorzędne traktuje się zużycie energii związane z budynkami, ale tak naprawdę warto zadbać o ich termomodernizację, ponieważ dokonywane zmiany nie wpływają na produkcję, a pozwalają zmniejszyć nakłady energetyczne na ogrzewanie i wentylację pomieszczeń oraz zaopatrzenie w media.

W przemyśle gumowym z pewnością nastąpiła znaczna poprawa w budynkach fabrycznych i warunkach pracy, co przekłada się na wzrost wydajności produkcji i zmniejszanie zużycia energii. Jednak nadal istnieją duże możliwości oszczędzania energii, chociażby w obszarach takich jak oświetlenie. Nowe lub wyremontowane budynki to idealna okazja do obniżenia długoterminowych kosztów. Budynki niskoenergetyczne są nie tylko tańsze w eksploatacji, ale także wygodniejsze dla personelu.

Karol Niciński

Źródła

ISO 14001:2015 Environmental Management Systems – Requirements with guidance for use, https://www.iso.org/standard/60857.html
ISO 50001:2018 Energy Management Systems, https://www.iso.org/standard/69426.html
Kent R., Tangram Technology Ltd., Energy efficiency in rubber processing. Practical worksheets for industry. Energy worksheets 1–8, http://www.tangram.co.uk/TI-Energy%20Worksheets%20(Rubber)%20-%20Tangram.PDF [dostęp: 14.01.2022]
Nakajima N., The Science and Practice of Rubber Mixing, iSmithers Rapra Technol. Ltd., 2000, ISBN: 978-1-85957-398-3
Funt J.F., Mixing of Rubber, iSmithers Rapra Technol. Ltd., 2009, ISBN: 978-1-84735-151-7
https://www.hf-mixinggroup.com/en/news/blog/detail/the-energetically-ideal-mixer-line/, publikacja: 22.05.2016, [dostęp: 17.01.2022]
Moribe T., Advanced Intermeshing Mixers for Energy Saving and Reduction of Environmental Impact, „Mitsubishi Heavy Industries Technical Review” 49(4) 2012, s. 38–43, https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e494/e494038.pdf [dostęp: 18.01.2022]
Pyskło L., Dębek C., Substancje pomocnicze poprawiające właściwości przerobowe mieszanek kauczukowych, „Elastomery” 4(10) 2006, s. 24–29
Neilsen J., Ziser T., Processing promoters: Additives for rubber compounds improve mixing and processing, „Rubber World” 264(5) 2021, s. 22–30
Microwave preheating of natural rubber and rubber mixtures, https://www.romill.cz/en/microwave-preheating-of-natural-rubber [dostęp: 18.01.2022]
Launay J. i in., Energy consumption and quality–productivity compromise in rubber molding, e-RUBBERCON 2020, Paryż, 11–12.02.2021, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03447146/file/Energy%20consumption%20and%20quality-productivity%20compromise%20in%20rubber.pdf [dostęp: 18.01.2022]
Hoppman C. i in., Development of a novel vulcanization test and measuring system to support process optimization in continuous vulcanization, „Rubber World” 258(4) 2018, s. 22–26