51Materia 1/2014

Tiede & Tekniikka

DI Sami Vapalahti, Rodbay Oy Poltinratkaisujen energiatehokkuus –Vanhassakin saattaa piillä hyvä vara

Sivut 52-55

Kuv

a Bo

-Eri

c F

orst

én

52 Materia 1/2014 Tiede & Tekniikka

tIeDe & tekNIIkkA DI Sami Vapalahti, Rodbay Oy

Poltinlämmitteiset prosessit muodostavat monimutkaisen, toisistaan riippuvien tekijöiden kokonaisuuden, jonka kaikkia salaisuuksia ei tähän päivään mennessä ole kyetty ratkaisemaan. Uusia teknologioita tulee lisää ja vanhojen teknologioiden kiinnostavuus kasvaa energian hinnan kohotessa ja viranomaisvaatimusten tiukentuessa. Valitetta-van usein uusi ja ihmeellinen vie kuitenkin huomion perus-asioista. Ovatko suuret investoinnit sittenkään tarpeellisia huomattavien säästöjen saavuttamiseen?

Sulzerin, Ovako Imatran, Outokummun, Rautaruukin ja Tekniikan edistämissäätiön rahoittamassa hankkeessa Sulzerin valimon vanhalla poltinlämmitteisellä lämpökä-sittelyuunilla saavutettiin 24 % energian säästö, alle 1 % jäännöshappitaso ja samalla tuotantoaikaa saatiin lisää yli 500 tuntia vuodessa. Suurin osa hankkeessa saavutetusta kokonaishyödystä, energiansäästö 18 % ja aikasäästö 16 %, on peräisin uunin mittauksista ja niiden perusteella tehdys-tä perusteellisesta huollosta ja säätämisestä. Tämä osoittaa, että uunin toiminta tai ulkonäkö ei välttämättä kerro uunin energiatehokkuuden todellista tilaa ja uuneissa saattaa piillä mahdollisuuksia suuriinkin energian säästöihin optimoimalla olemassa olevaa prosessia. Omia prosesseja arvioidessa on muistettava, että valmistajat eivät toimita optimoituja vaan luotettavia ja varmatoimisia prosesseja eivätkä siten ole välttämättä paras palveluntarjoaja arvioi-maan tai toimittamaan prosessioptimointia.

Energiatehokkuus lähtee mittaamisesta

Vähimmäisvaatimuksena mittauksille on, että jokainen suu-rempi energiaa kuluttava prosessi tulee varustaa itsenäi-sellä energian mittauksella, jossa on sähköinen tallennus. Mitattu kulutus on kyettävä sitomaan tuotannon määrään. Tehtävä ei aina ole helppo, mutta se on ehdoton vaatimus todellisen energiatehokkuuden seuraamiselle ja erityisesti tehtävien toimenpiteiden vaikutusten arvioimiselle. Näillä mittauksilla voidaan seurata pitkällä aikavälillä prosessin kuntoa ja tehtyjen toimenpiteiden vaikutuksia. Ongelmana on, että pienten ongelmien havaitseminen on hidasta tai mahdotonta. Tulokset eivät myöskään kerro mistä ongel-mat mahdollisesti johtuvat. Tarkemmin energiatehokkuutta voidaan seurata toissijaisilla mittauksilla kuten uunin

paine, savukaasuanalyysi ja savukaasun lämpötila, jotka kertovat nopeammin ja tarkemmin energiatehokkuuteen vaikuttavista muutoksista.

Poltinprosessin optimointi

Esimerkiksi EU, Yhdysvallat ja Intia ovat julkaisseet uu-neihin liittyviä parhaiden ratkaisujen ohjekirjoja /1, 2, 3/. Tärkeimmiksi tekijöiksi ratkaisujen energiatehokkuudessa nimetään paloilman esilämmitys (15-30 %), savukaasussa olevan jäännöshapen määrä (5-25 %) ja happilisäys (5-25 %) /1/. Tarkemmin jäännöshapen, ilman esilämmityksen ja happilisäyksen teoreettisia vaikutuksia voi arvioida lähteis-tä /1, 4/ löytyvistä käytettävissä olevan energian taulukois-ta. Näitä ei voida kuitenkaan erottaa omina tekijöinään, sil-lä ne vaikuttavat automaattisesti mm. uunin sisällä tapahtu-vaan lämmönsiirtoon ja uunin paineeseen joiden vaikutus on arvioiden mukaan 5-10 % säästöistä /1/. Poltinprosessin optimointi voidaan kiteyttää lyhyesti seuraaviin kohtiin:

1. Polttimien ja poltinjärjestelmän on oltava huollettu ja toimittava moitteetta.2. Vuorauksen on oltava kunnossa ja prosessitilan tiiveys on varmistettava.3. Savukaasua on kyettävä ohjaamaan prosessitilan paineen hallitsemiseksi.4. Energian kulutus sekä savukaasun ja uunin lämpötilat on kyettävä mittaamaan ja kirjaamaan sähköisesti mieluiten yhteen järjestelmään.5. Savukaasuanalyysin perusteella polttimet säädetään pienimmälle mahdolliselle jäännöshapen määrälle ilman, että savukaasun häkäpitoisuus nousee. Säädössä on otettava huomioon lämpötilan vaikutus palamiseen sekä säätyvien polttimien ollessa kyseessä on otettava huomioon tehon säädön vaikutus polttosuhteeseen.6. Uunin lämmityshistorian ja lämmityskuorman on oltava vertailukelpoisia. Uunin rakenteisiin sitoutu- van energian osuus eli ero kylmästä ja kuumasta lähtevien käsittelyiden välillä on villavuoratussa panosuunissa 25-30 %, massalla tai tiilillä vuoratussa uunissa se saattaa olla paljonkin suurempi.7. Uunin lämpötilan mittaus on luotettavin, kun mitataan kappaleen sisälämpötilaa uunin lämpötilan lisäksi.

Poltinratkaisujen energiatehokkuus Vanhassakin saattaa piillä hyvä vara

53

Materia 1/2014

Jos halutaan vertailla erilaisten teknologioiden todellisia vaikutuksia vanhaan järjestelmään, tulisi yllä olevat kohdat toteuttaa vanhaan järjestelmään. Lukuisat tutkimukset ovat määritelleet mm. happilisäyksen ja ilman esilämmityksen vaikutuksia energiatehokkuuteen ottamatta huomioon van-han järjestelmän mahdollisesti epäedullista lähtötilannetta. Tämä tekee investointien takaisinmaksuajan laskemisen näiden tutkimusten perusteella hankalaksi. Tässä projektis-sa se olisi johtanut väitteeseen, jonka mukaan uunin pinnoi-tuksella saatiin aikaan 24 % energiansäästö, kun todellinen, pelkän pinnoituksen mahdollistama säästö oli noin 7 %.

Uunioptimointi – Case Sulzer

Hankkeen tarkoituksena oli selvittää matalaemissiivisen eli korkeaheijasteisen uunipinnoituksen vaikutus sekä kappaleiden että uunin lämpenemiseen ja uunin poltinten toimintaan. Koeuuniksi valittiin kuvassa 1 oleva Wellman Incandescentin valmistama, mitoiltaan noin 1,5x2,4x1,5 m oleva uuni. Lämmitys tapahtuu kahdella säätyvällä 180 kW suoralla kaasupolttimella. Kaikki mittaukset suoritettiin samalla käsittelyllä eli lämpötilan mahdollisimman nopea nosto 1100°C lämpötilaan, jossa kuormaa pidettiin 3 tuntia.

Pinnoitteen vaikutuksen määrittäminen vaati, että vanha uuni oli ensin optimoitava olemassa olevalla laitteistolla

niin hyvään kuntoon kuin oli mahdollista. Optimoinnissa uunin vuoraus korjattiin, luukku tiivistettiin, uunin painet-ta kasvatettiin ja uunin poltinjärjestelmä käytiin läpi. Poltin-järjestelmässä havaittiin säätöongelma, jonka seurauksena täydellä teholla uunin jäännöshappi oli korkea, 5,5 %, ja jäännöshapen määrä poltinohjauksen vuoksi optimoitavis-sa ainoastaan täydellä teholla. Täyden tehon jäännöshappi saatiin pudotetuksi 1,75 % tasolle, mutta jäännöshapen määrän kasvua poltintehon alentuessa ei saatu poistetuksi. Kaiken säätämisen perustana oli vaatimus, että häkäpitoi-suus ei missään vaiheessa saa ylittää 15 ppm tasoa. Tulos on erinomainen, kun otetaan huomioon, että normaalisti uunien jäännöshappi on välillä 3‒5 %.

Kokeiden aikana uunissa oli n. 27 kg painoisen näytteen lisäksi kaksi kappaletta normaalisti tuotannossa käytettäviä uuniarinoita, joiden paino oli noin 1970 kg. Näin kokeiden kuorma saatiin vastaamaan keskivertoa uunissa käsiteltä-vää panosta 2000 kg. Kokeissa mitattiin kappaleen, uunin ja savukaasun lämpötilaa sekä maakaasun virtausta. Vertai-lukelpoisuuden parantamiseksi uunin annettiin jäähtyä ainakin 2 päivää luukku auki ennen testilämmitystä, joka oli koelämmitys ilman mittakappaleita. Testilämmityksen jälkeen uuni oli kaksi päivää luukku auki ennen varsinaista koetta. Savukaasuanalyysi otettiin hetkellisin mittauksin kokeen aikana. Uunioptimoinnin tulokset pinnoittamatto-mana ja pinnoitettuna verrattuna optimointia edeltäneeseen tuotantoon on esitetty kuvassa 2.

Mittausten osoittamien ongelmien korjaamisella ja optimoinnilla saatiin siis aikaan noin 18 % energiansäästö ja 16 % aikasäästö uunilla, jossa ei päällisin puolin ollut mitään vikaa.

Pinnoitus

Uuni pinnoitettiin ja sen jälkeen tehtiin uunin kuivatus- ja testilämmitys. Tulokset osoittivat, että pinnoitus ei yksin vaikuta merkitsevästi uunin energian kulutukseen. Tämän jälkeen uunin polttimia säädettiin uudelleen ja kuvassa 2 on esitetty toimenpiteiden vaikutus aikaan ja energian kulutukseen. Pinnoituksen jälkeisellä optimoinnilla saavu-tettiin n. 7 % energiansäästö ja 11 % aikasäästö pinnoitusta edeltäneeseen optimoituun tilanteeseen. Kokonaissäästö alkutilanteeseen oli noin 24 % energiassa ja 25% ajassa.

Lisäsäästö johtuu siitä, että uunin jäännöshappi kyettiin pinnoituksen jälkeen laskemaan täydellä teholla 0,85 % ta-

Kuva 1. Kokeissa käytetty lämpökäsittelyuuni.Figure 1. The heat treatment furnace used in experiments.

Kuva 2. Pinnoite-tun ja pinnoitta-mattoman uunin optimoinnin vaiku-tus energian kulu-tukseen verrattuna lähtötilanteeseen.

Figure 2. Com-parison of furnace performance be-fore project, after optimization, and after optimization with coating.

TIEDE & TEKNIIKKA