Transcript slutrapport

LTH
Optimering av
torkprocess för
gipsplattor
Knauf Danogips torkanläggning i Åhus
Anja Essén, Hjalmar Risinger, Olof Runfors och Karin Österström
Handledare: Stig Stenström
5/15/2013
Sammanfattning
Knauf Danogips vill undersöka om deras torkprocess av gipsplattor är den mest optimala. För att
utreda det har olika beräkningar gjorts, både på dagens process med hjälp av bland annat
pinchanalyser och på varianter med andra bränslen. För den nuvarande processen gjordes en
ekonomisk analys över en ny och större värmeväxlare för att kunna värma upp ingående luftflöden.
Resultaten visade att så länge gasolen kostar mer än 25,4 öre/kWh är det lönsamt att byta till en större
värmeväxlare. Dock visade det sig att bästa lösningen för att använda den interna energin var snarare
att använda energiöversköttet för att värma en varmvattenström. Det bekräftas av ytterligare en
pinchanalys.
Vidare har undersökningar utförts på huruvida byte av bränsle från gasol till flis, träpulver eller biogas
ska ske i torkanläggningen. Biogas förkastades direkt då det positiva är att det är miljövänligt men
forskningen har inte kommit tillräckligt långt för att storleken på ugnarna ska bli lönsamt. Resultaten
för flis och träpulver visade att det bör ske ett byte. I den ekonomiska analysen över byte till flis blev
summa nuvärde positivt. Vidare undersökning gav en återbetalningstid på ungefär 4 år och
känslighetsanalysen visade på mycket liten osäkerhet i investeringen. Den ekonomiska analysen över
byte till träpulver gav även den ett positivt summa nuvärde och en återbetalningstid på ungefär 5 år.
1
Innehåll
Sammanfattning..................................................................................................................................1
Inledning ............................................................................................................................................4
Litteraturstudie ...................................................................................................................................5
Om Knauf Danogips .......................................................................................................................5
Processen i Åhus.............................................................................................................................5
Kalcinering .................................................................................................................................5
Torken ........................................................................................................................................6
Pinchanalys.....................................................................................................................................6
Byte av bränsle ...............................................................................................................................8
Gasol ..........................................................................................................................................8
Flis..............................................................................................................................................8
Träpulver ....................................................................................................................................9
Biogas.........................................................................................................................................9
Ekonomisk analys .........................................................................................................................10
Beräkningar och resultat ...................................................................................................................11
Beräkning av luftflöden i torkzonerna........................................................................................11
Sammanfattning av de olika zonernas flöden .............................................................................16
Analys av GCC kurvor ..............................................................................................................16
Beräkning av värmeväxlare .......................................................................................................19
Förändring av pinch 1 ...............................................................................................................20
Kostnadskalkyl .............................................................................................................................22
Intäkt och driftskostnad .............................................................................................................22
Bundet kapital...........................................................................................................................22
Direkta rörliga kostnader ...........................................................................................................23
Total driftskostnad ....................................................................................................................23
Kalkyler ....................................................................................................................................23
Byte till ångpanna .........................................................................................................................25
Ekonomisk analys vid byte till flis.............................................................................................25
Ekonomisk analys vid byte till träpulver ....................................................................................32
Pinchanalys över torken efter byte till ångpanna ............................................................................36
Diskussion ........................................................................................................................................37
Pinchanalys över torken som den ser ut idag..................................................................................37
Byte av eldningspanna ..................................................................................................................38
Referenser ........................................................................................................................................39
Appendix 1 .......................................................................................................................................40
2
Pinch original................................................................................................................................40
Appendix 2 .......................................................................................................................................41
Pinch med uppvärmning av en 2MW vattenström..........................................................................42
Appendix 3 .......................................................................................................................................43
Checklista för poster inom driftskostnader.....................................................................................43
Appendix 4 .......................................................................................................................................44
Torkprocessen...............................................................................................................................44
Appendix 5 .......................................................................................................................................45
Flödesschema över ångpannan ......................................................................................................45
Appendix 6 .......................................................................................................................................46
Tabeller för pinchanalys över ångpannan.......................................................................................46
3
Inledning
Syftet med projektet är att optimera Knauf Danogips torkprocess för produktion av gipsskivor.
Beräkningarna görs med hänsyn till energianvändningen, då Knauf Danogips för tillfället inte är i
behov av ökad produktivitet. En pinchanalys på den befintliga processen utförs för att undersöka det
system som idag används för uppvärmning av inluft till torken. En ekonomisk analys utförs baserat på
resultatet från pinchanalysen för att undersöka om det är ekonomiskt lönsamt att göra en investering.
Den ekonomiska analysen utförs enligt Ulrich’s metod.
Det undersöks även om byte av bränsle för uppvärmning av torkluften är ett alternativ för Knauf
Danogips. De bränslen som undersöks är flis och träpulver som jämförs med gasol som används idag.
För att använda flis och träpulver behövs en investering i en ångpanna och ett helt nytt
värmeväxlarsystem. Därför utförs ännu en ekonomisk analys enligt Ulrich’s metod för att undersöka
om ett byte till ångpanna är lönsamt. En pinchanalys utförs för att undersöka det optimala sättet att
placera ut värmeväxlarna då en ångpanna används.
4
Litteraturstudie
Nedan presenteras information som kan vara bra att veta innan resten av projektet läses. Först kommer
information om företaget Knauf Danogips och om deras process i Åhus. Därefter följer en kort
beskrivning om hur en pinchanalys utförs. Sedan kommer information om bränslena gasol, flis och
träpulver. Till sist finns en genomgång hur en ekonomisk analys kan utföras enligt Ulrich’s metod.
Om Knauf Danogips
Knauf Danogips är en del av den tyskägda Knauf-gruppen, som är en av Europas största tillverkare av
byggmaterial. Knauf-gruppen har över 100 produktionsanläggningar, mer än 60 gipsgruvor och
omsätter ca 5 miljarder Euro. Företaget producerar många sorters byggmaterial, framförallt produkter
av gips, isolermaterial och putssystem. Knauf Danogips bildades 1992 då det tyska företaget Knauf
köpte upp Danogips. Företagets logga visas i figur 1.A
Figur 1 Knauf Danogips logga
På Knauf Danogips framställs framförallt gipsprodukter för rumsavskiljning. I Sverige sker
tillverkningen i Åhus, där ligger även det Svenska huvudkontoret. En bild på anläggningen i Åhus
visas i figur 2.1
Figur 2 Knauf Danogips i Åhus
Processen i Åhus
Nedan beskrivs hur kalcinering och torkning går till.
Kalcinering
Kalcinering av gips är en dehydratiseringsprocess. Det innebär att vatten avlägsnas och i detta fall tas
ca 75 % av allt vatten bort från kalciumsulfathydrat. Processen utförs i någon typ av ugn eller reaktor
vid 175 grader, det kalcinerade gipset kallas även gipsputs. Kalcinering används för att tillföra
mekanisk stabilitet till kalciumsulfathydrat så att gipsskivan blir mer motståndskraftig, vilket blir fallet
tack vare att vattenkristallerna drivs bort. Om kalcineringen hade skett vid temperaturer över 500
grader hade fullständig dehydratisering ägt rum och produkten hade varit ren CaSO4B. Vid 175 grader
sker istället följande reaktion:
∗2
( ) + ä
→
∗½
( ) + 1½
( )
Kalcinering sker då Gibbs fria energi är noll. Detta inträffar vid temperaturer över
övergångstemperaturen eller den termiska denatureringstemperaturen, men under smälttemperturen.
5
Olika typer av värmeelement kan vara olika slags schaktugnar eller bränn/torkugnar, vilka kan vara
periodiska eller kontinuerliga. Den periodiska ugnen laddas med en sats som först hettas upp och
kalcinering utförs. Innan ugnen fylls på med en ny sats kyls den förra. Denna process är den mest
använda i industrin men den har höga förluster i tid och bränsle, då det är oekonomiskt att höja och
sänka temperturen i ugnen mellan satsernaC. I en kontinuerlig ugn finns inte samma värmeförluster
eftersom den kalcinerade massan töms och fylls på nytt utan tidsförluster, men det är svårare att hålla
reda på satser som blir fel.
Enligt ett patent som skrevs på slutet av 70-talet, utfördes kalcineringen i en panna men inflödet sker i
det tomma luftutrymmet i övre delen av pannan. Inflödet av gips landar sedan på toppen av det
kalcinerade gipsetD.
Ytterligare process för att tillverka hemihydratet för gipsskivor är torr atmosfärsprocess.
Uttorkningshastigheten av kalciumsulfatdihydrat sjunker då med vattnets ångtryckE.
För att undvika att gipset blir kontaminerat med aska från bränslet, bör förbränningen ske separat och
endast de varma gaserna passerar kalciumsulfathydratet.
Torken
Nedan kommer information om torkning i allmänhet och om torkningsprocessen i Åhus.
Torkning
Torkning kan sammanfattas i en process där ett lösningsmedel förångas från ett fast material.
Vanligtvis är lösningsmedlet vatten och produkten ej flyktig. På det här viset kan en produkt med
lämplig fukthalt erhållas. För att åstadkomma detta tillförs energi antingen genom konvektion från en
varmare gas, ledning från varmare yta eller strålning från varmare yta. Inte sällan sker avlägsningen
med varm luft eller överhettad ånga. Oavsett vilken värmningsmetod som används krävs att torken
ventileras med mindre fuktig luft. I annat fall riskerar torkhastigheten att gå mot noll.
Hur snabbt torkningen förlöper beror i stort på temperaturnivåerna. En annan viktig faktor är
masstransporten, alltså hur snabbt fukten kan transporteras inifrån materialet till ytan. Detta är inte
alltid helt givet och är en viktig del att beakta vid designande av en torkprocess. Ytterligare att tänka
på är produktens värmekänslighet. Vid hög sådan kan produktens kvalitet försämras om inte
försiktighet brukas. Har materialet hygroskopiska egenskaper bör även det tas med i ekvationen. Ett
sådant material har vid vissa fukthalter lägre ångtryck än vad rent vatten har.F
Torkning vid Knauf Danogips
Vid Knauf Danogips torkas gipsplattor genom naturlig och påtvingad konvektion med hjälp av varm
luft. Förbränning av gasol skapar den energi som behövs för att värma luften. De färdigtorkade
gipsplattorna innehåller efter torkningen inget mer vatten än vad som ryms inom dess kemiska
sammansättning CaSO4*2H2O. För att inte göra torken onödigt lång finns flera våningar för
gipsplattorna att transporteras genom torken. På så vis kan större mängd gipsplattor torkas under
samma tidsperiod.
Torkningen sker i tre zoner som har var sin gasolförbrännare samt en zon för avkylning med kallare
luft. Temperaturerna i zonerna går mellan 125°C och 219°C i den första zonen, mellan 141°C och
232°C i den andra och temperaturer mellan 80°C och 114°C i den sista torkzonen. I avkylningszonen
hålls temperaturen mellan 36°C och 73°C. I den första zonen går luftflödet motströms och i zon 2 och
3 går luftflödet medströms. Torken till sitt utseende är kvadratisk i tvärsnittet med en sida på ca 4 m
och har en längd på ungefär 90 m för att ge en indikation på dess storlek. Produktionshastigheten hålls
sedan vanligtvis till 56,7 m2/min. G
Återcirkulering av torkningsluften äger rum i varje zon och i relativt stor omfattning. En mindre del av
torkningsluften skickas ut ur processen från första torkningszonen. En bild på torkprocessen visas i
Appendix 4.
Pinchanalys
Torkning är en mycket energikrävande process. Ett sätt att optimera energianvändningen är att
utföra en Pinchanalys. Analysen visar hur värmeväxling på bästa sätt sker mellan strömmar i
6
processen. Genom att identifiera en så kallad pinch kan energikostnad och kapitalkostnad
beräknas för värmeväxlingssystemet.
För att beräkna pinchen plottas varma och kalla strömmar var för sig i ett effekttemperaturdiagram. En minsta temperaturdifferens mellan varma och kalla strömmar bestäms
(ofta 10 °C). Genom att flytta en av kurvorna i sidled tills den minsta temperaturskillnaden nås
kan en pinch hittas. I diagramet kan det även utläsas hur mycket energi som måste tillföras
externt till systemet, det är skillnaden i x-led mellan den varma och den kalla kurvan, där ingen
överlappning sker. Kurvan som plottas kallas för kompositkurva, effekten för de olika
strömmarna räknas ut med ekvation 1.1.1 Ti är intervallets övre temperatur och Ti+1 är den
undre temperaturen. Cp,i är den specifika värmekapaciteten och mi är massflödet för strömmen.
=∑
∗
,
∗(
−
(1.1)1
)
Ett exempel på en kompositkurva visas i figur 3.
Figur 3. Kompositkurva för pinchanalys.H
Det finns tre regler som måste följas för att spara så mycket energi som möjligt. Ingen
energiöverföring får ske över pinchen. Ingen kylning ska placeras ovanför pinchen och ingen
värmning ska placeras under pinchen.1
En grand composite curve kan plottas genom att ta hänsyn till både varma och kalla strömmar.
Den ger information om vid vilka temperaturer energi ska tillföras och bortföras från systemet.
En grand composite curve räknas ut med hjälp av ekvation 1.2.H
=(
−
)∗ ∑
,
∗
, ,
−∑
,
∗
, ,
(1.2)I
Nästan alla torkar använder luft som gasbärare och det är vatten som ska förångas. I många fall
kan den utgående gasen släppas ut direkt efter att den värmeväxlats, ingen extra kylning behövs.
Den bästa placeringen för en enhetsoperation är att den frigör all värme ovanför
pinchtemperaturen och ovanför GCC eller tar upp all värme under pinchtemperaturen och under
GCC. En grand composite curve visas i figur 4.J
7
Figur 4. Grand compsoite curveK
Om torken jobbar genom pinchen finns det olika möjligheter för hur det kan undvikas. Temperaturen
där torken tar upp värme kan sänkas eller så kan utgångstemperaturen på utgående gas höjas. Ett annat
alternativ är att höja eller sänka pinchen genom att ändra en annan del av processen. Det medför att
torken hamnar under eller över pinchen.J
Byte av bränsle
Möjligheten att byta eldningspanna (från gasolpanna som används idag) och råvara som förbränns
undersöks. Ett eventuellt byte kan spara både energi och pengar. Det undersöks också om det går att
använda en miljövänligare lösning än den gasolpanna som används av Knauf Danogips idag. De
råvaror som undersöks är flis, träpulver och biogas. Vid byte till dessa råvaror krävs en ångpanna
eftersom att sot i rökgaserna förstör gipsskivorna. Kostnaderna för byte och drift med flis och
träpulver jämförs mot vad det kostar med det nuvarande bränslet gasol. Nedan beskrivs de olika
bränslena ur miljö-, energi- och kostnadssynpunkt
Gasol
Gasol är ett gasformigt bränsle vid rumstemperatur och består av propan, butan eller en blandning av
dem. Propan och butan framställs ur råolja och naturgas och är därför fossila bränslen. Vid
förbränning bildas koldioxid och vattenånga. Eftersom gasol är ett fossilt bränsle bidrar det med mer
utsläpp av koldioxid än övriga bränslen som behandlas i det här projektet. Förutom koldioxidutsläppen
är gasol ett miljövänligt bränsle, den innehåller inte gift, bly eller tungmetaller. Butans energiinnehåll
är 12.6 kWh/kg och propans energiinnehåll är 12.8kWh/kg.L
Gasol är det bränsle som idag används på Knauf Danogips. Blandningen består av 33 % propan och 67
% butan och inköpspriset är 50 öre/kWh.
Flis
Flis är en hållbar och förnyelsebar energikälla som kan användas både för uppvärmning och för
elproduktion. Som råvara används de delar av träd och virke som inte är bra nog för att användas som
sågtimmer. Flisen, som består av bitar som är 1-5 cm stora, har en fukthalt som varierar mellan 25 %
och 60 %. Energin som kan tas tillvara från flis är mycket beroende av fukthalten då förångning av
vattnet inte ger någon energi. Dock kan energin i rökgaserna tas tillvara på genom
rökgaskondenseringM. Beräkningarna i det här projektet utförs för skogsflis med en fukthalt på 45 %
och med ett effektivt värmevärde på 9.5 MJ/kgN. Densiteten antas vara 165 kg/m3 och priset 20.1
öre/kWhO.
8
Flis är ett relativt miljövänligt alternativ att använda som bränsle då det är en förnyelsebar energikälla.
Förbränningen tillför inte ytterligare koldioxid till atmosfären, den bidrar alltså inte till
växthuseffekten. En nackdel med att använda flis är att lagring kräver ett stort lagringsutrymme
jämfört med att använda t ex. en gas. Lagringen kan dock ske utomhus. Tillgången på flis är i
dagsläget stabil, dessutom är flis det billigaste trädbränslet. Askan som blir kvar efter förbränning kan
användas som gödningsmedel.M, O, P
Träpulver
Träpulver framställs vanligtvis från flis och sågspån. Vid framställningen torkas materialet och mals
sedan till ett pulver som består av korn mindre än 1mm i diameter. Fuktinnehållet är runt 8 % eller
mindre, vilket resulterar i ett torrt och lätt bränsle. Pulvret måste hanteras varsamt på grund av
explosionsrisk och risk för dammbildning. Lagring bör därför ske i en silo.
Ur miljösynpunkt är träpulver ett mycket bra bränsle. Det är en förnyelsebar energikälla och bidrar
därför ej till växthuseffekten. Jämfört med andra trädbränslen är pulvret det mest effektiva och
därmed det minst miljöfarliga och hälsoskadliga.
Energiinnehållet är 17.7 MJ/kg och densiteten är ungefär 200 kg/ m3. Priset var år 2012 31 öre/kWhQ
och är därmed lite dyrare än andra trädbränslen.
Biogas
Biogas är en gas som produceras då organiskt material bryts ned av mikroorganismer utan närvaro av
syre. Bränslet är miljövänligt tack vare att man kan återanvända andra material exempelvis sopor
dessutom släpper det inte ut någon extra koldioxid. Biogasen består främst av metan och koldioxid,
vilket i kontakt med syre kan förbrännas. Fördelar med att använda biogas är att det är en helt ren gas,
dvs. att det inte bildas sot eller slagg. Biogas är även en 100 % förnyelsebar energikälla.
Biogas består som sagt av flera olika gaser så som; metan (50-75%), koldioxid (25-50%), kväve (010%) samt mindre innehåll av syre, väte och vätesulfid.
Energiinnehållet jämfört med några andra drivmedel;
1 Nm3 Biogas = 9,67 kWh
1 Nm3 Naturgas = 11,0 kWh
1 liter Bensin = 9,06 kWh
1 Nm3 gasol = 24 kWhBB
Till Knauf Danogips anläggning behövs det 100 GWh för att hålla produktionen gående hela året om.
Mängd gasol som krävs för att tillföra den energin är 100*106/24=4,17*106 Nm3R. Skulle istället
biogas användas skulle det behövas 100*106/9,67=10,34*106 Nm3 alltså dubbelt så stor kvantitet. Då
priset är ca 25 öre/kWh för biogas och 50 öre/kWh för gasol så är priset över ett år ungefär det samma.
Dock så skiljer sig brännaren för att få tillräckligt mycket effekt i torken. Alltså är det
anläggningskostnaderna för biogasförbränningen som gör den till ett dyrare alternativ.
9
Ekonomisk analys
En ekonomisk analys kan utföras för att undersöka huruvida ett projekt ska framgå, avslutas eller
läggas vilande för framtida behandling. Det önskvärda scenariot är naturligtvis oftast att projektet ska
ge en viss vinst.S s.33-34 Nedan beskrivs arbetsgången vid utförandet av en ekonomisk analys. Det är den
här metoden som används i det här projektet.
1. Designparametrar
Det första steget i den ekonomiska analysen är att fastställa designparametrar i processen. Till exempel
bör betingelser, konstruktionsmaterial, apparatstorlek och flöden bestämmas.
2. Apparatkostnader
I nästa steg ska apparatkostnader bestämmas utifrån designparametrarna. I detta projekt har framförallt
Ulrich’s metod och databas använts. I databasen finns information om vad olika apparater kostar i
kolstål vid standardtillstånd. För att sedan beräkna apparatkostnaderna vid rätt betingelser och rätt
konstruktionsmaterial, den så kallade modulkostnaden, används formler från Ulrich’s metod.
Formlerna innehåller olika modulfaktorer som tar hänsyn till tryck, temperatur och material.
Modulkostnaden fås i dollar.
3. Anläggningskostnad
I det tredje steget beräknas den totala anläggningskostnaden. Detta görs med hjälp av
modulkostnaderna och Ulrich’s påslagsfaktorer fnivå2 och fhjälp. Påslagsfaktorerna lägger på kostnaderna
för entreprenad, oförutsett och hjälpanläggningar.
4. Valutakonvertering och kostnadsuppdatering
I steg fyra räknas anläggningskostnaden om till vad anläggningen kostar i svensk valuta i nutid. Detta
görs med hjälp av indexkurser och växelkurser.
5. Intäkt och driftskostnad
I det femte steget beräknas intäkter och driftkostnaderna för fabriken. Driftskostnaderna beräknas
lättast utifrån en checklista då det är lätt att glömma vissa kostnader. Checklistan innehåller direkt
rörligakostnader, indirekta kostnader samt kostnader för bundet kapital. Den totala driftskostnaden fås
sedan genom att summera alla kostnadsposter.
6. Investeringskalkylering
Det kan vara intressant att undersöka återbetalningstiden för projektet. Det görs i
investeringskalkyleringen. Dessutom beräknas summa nuvärde för att den behövs i nästa steg,
känslighetsanalysen. Summa nuvärde kan även visa om investeringen ska förkastas, förkastning sker
vid negativt värde. Med hjälp av nuvärdesmetoden beräknas summa nuvärde med beaktande av
kalkylräntan. Återbetalningstiden beräknas med ”pay off”-metoden. Beräkningarna utförs med hänsyn
till kalkylräntan och konstant årlig nettoinbetalning antags. A s.37
7. Känslighetsanalys
Till sist görs en känslighetsanalys för att se hur en prisförändring på osäkra poster påverkar projektets
lönsamhet. Med hjälp av analysen kan då information fås om hur känsligt investeringskalkylen är för
en viss post och om projektet har risk för att gå med förlust.
10
Beräkningar och resultat
Beräkning av luftflöden i torkzonerna
Med hjälp av material- och energibalanser beräknas luftströmmarnas storlekar i de olika torkzonerna.
Zon 1
Energibalans:
̇
, +
,
+ ̇
,
= ̇
,
̇ och ̇ , är okända, därför beskrivs ̇
där ̇ ö
är kg rökgas/s.
= ̇
,
(2.1)
+ ̇
ö
,
(2.2)
Massbalansen är över de ingående gasol- och överskottluftflödena som förbränns till rökgaserna, se
ekvationerna 2.9, 2.10, 2.11, 2.12,: Där i=1, 2, 3 för de tre olika zonerna
Tabell 1: Uppmätta tabellvärden från Knaufgips och
Mörstedt
̇
= 1,185 /
94℃) = 1,010
(
= 94℃
= 3434,01
⁄
= 1,014
, ,
T, sid 77
⁄
= 124,65℃
∆ = 2500 ⁄ (
å
124,65℃) =
,å
T, sid 76
1,8968 ⁄
= 124,65℃
= 0,277 kg H2O/kg torrluft
För att beräkna entalpin för luften används ekvation 2.3, och värden från tabell 1.
,
=
,
= 884,4
,
,
,
+
,
∆ +
,
,å
(2.3)
,
⁄
Tabell 2: Uppmätta tabellvärden från Knauf Danogips och
Mörstedt
, (
218,9℃) = 1,030
sid 77
= 218,9℃
∆ = 2500 ⁄ (
å
218,9℃) =
,å
T, sid 77
1,9454 ⁄ ℃
= 218,9℃
=okänd kg H2O/kg torrluft
11
⁄
℃ T,
=
,
+
∆ +
,å
(2.4)
För att kunna lösa ekvation 2.4 används data ur tabell 2, och måste beskrivas med hjälp av de
andra strömmarna. Det görs enklast genom att använda sambandet i ekvation 2.5.
̇
=
=
,
ö
,
+
̇
ö
,
ö
,
+
∗ ̇
,
ö
̇
,
̇
(2.5)
,
,
∗ ̇
, ∆ +
ö
,
∗ ̇
ö
,
̇
,
∗ ̇
,
,å
(2.6)
För att beräkna flödet rökgaser görs en översikt på förbränningen, med förbränningsvärden hämtade
från Mörstedt. Gasol är definierade som en blandning av 33% propan och 67% butan, och ett
luftöverskott på 10%
Mängden torra rökgaser
= 0,33 ∗ 21,41 + 0,67 ∗ 27,67 = 25,60
ö
/
(2.7)
= 0,1 ∗ (0,33 ∗ 23,29 + 0,67 ∗ 30) = 2,78
= 0,1 ∗
/
(2.8)
Luftöverskottet i zon ett blir:
Rökgaser av gasol innehåller; CO2(ekv. 2.9 ), N2(ekv. 2.10), H2O(ekv. 2.11) och O2(ekv. 2.12), för de
torra rökgaserna beräknas inte vatten.
0,33 ∗ 21,41 ∗ 0,1395 + 0,67 ∗ 27,67 ∗ 0,1430 = 3,64
0,33 ∗ 25,18 ∗ 0,0,7316 + 0,67 ∗ 32,33 ∗ 0,7334 + 0,79 ∗
/
ö
= 24,16
0,33 ∗ (25,18 − 21,41) + 0,67 ∗ (32,33 − 27,67) = 4,37
21% ∗
ö
= 0,58
(2.9)
/
/
(2.10)
(2.11)
/
(2.12)
För att beräkna massan används flöjande omvandling; 1
=
,
∗
= 44,1
ger att
ekvationerna för CO2, N2, H2O och O2 har följande massa:
: 3,64 ∗ 44,1 ∗ 0,044 ∗ 0,0304 = 0,215
/
: 24,16 ∗ 44,1 ∗ 0,028 ∗ 0,0304 = 0,907
/
: 4,37 ∗ 44,1 ∗ 0,018 ∗ 0,0304 = 0,105
/
: 0,58 ∗ 44,1 ∗ 0,032 ∗ 0,0304 = 0,025
/
Genom att använda ekvation 2.11 kan andelen vatten i rökgasen beräknas. Denna andel kommer inte
förändras mellan de tre olika ugnarna eftersom det är en egenskap då gasol förbränns. Däremot det
som beskrivs för vatten, syre, koldioxid och kvävgas ovan så ändras dessa flöden efter mängden syre
och gasol som tillsätts.
ö
=
̇
̇
=
ö
,
,
,
,
= 0,092 = 9,2%
12
(2.13)
Genom ekvationerna 2.2-10 har alla energier beräknas så att ̇
kan erhållas. Värdet nedan är för det torra luftflödet
̇
= 19.62
∆
i energibalansen från ekvation 2.1
/
= 1035,93 /
När sedan recirkulationsflödet är beräknat ovan med hjälp av ekvation 2.1 kan det totala flödet in i
torken beräknas enligt ekvation 2.2, samt det totala vattenflödet enligt ekvation 2.12.
̇
= 1,147 + 19.62 = 20.77
̇
=
̇
= 0,277 ∗ 19.62 + 0,092 ∗ 1,147 = 5,54
,
∗ ̇
+
/
,
ö
∗ ̇
,
ö
(2.14)
,
/
Zon 2
För andra zonen i torken gäller samma beräkningar men med andra värden
Energibalans, ekvation 2.1:
̇
̇
, och ̇
+
,
+ ̇
,
är okända, därför beskrivs ̇
,
= ̇
= ̇
+ ̇
ö
där ̇
ö
är kg rökgas/s.
Massabalansen är över de ingående gasol- och överskottluftflödena som förbränns till rökgaserna, se
ekvationerna 2.9, 2.10, 2.11, 2.12:
Tabell 3: Uppmätta tabellvärden från Knauf danogips och Mörstedt
̇
= 1,416 /
94℃) = 1,010 ⁄
, (
= 94℃ temperatur
, = 4104,20
(
141℃) = 1,015 ⁄
,
= 141℃
∆ = 2500 ⁄ (
å
141℃) =
,å
T, sid 76
1,890 ⁄ ∗
= 141℃
, = 0,32 kg H2O/kg torrluft
För att beräkna entalpin för den torra luften används ekvation 2.3
,
= 1028.39
⁄
13
T, sid 77
T, sid 77
Tabell 4:Uppmätta tabellvärden från Knauf danogips och Mörstedt
, (
231,7℃) =
1,035 ⁄ ∗ T, sid 77
= 231,7℃
∆ = 2500 ⁄ (
å
231,7℃) =
,å
T, sid 76
1,950 ⁄ ∗
= 231,7℃
=okänd kg H2O/kg torrluft
=
, +
∆ +
,å
För att kunna lösa ekvation 2.4, måste beskrivas med hjälp av de andra strömmarna och data från
tabell 4. Det görs enklast genom att använda sambandet i ekvation 2.5.
För att beräkna massan används flöjande omvandling; 1
=
,
∗
= 44,1
ger att
ekvationerna för CO2, N2, H2O och O2 har följande massa:
: 3,64 ∗ 44,1 ∗ 0,044 ∗ 0,0363 = 0,256
/
: 24,16 ∗ 44,1 ∗ 0,028 ∗ 0,0363 = 1,083
/
: 4,37 ∗ 44,1 ∗ 0,018 ∗ 0,0363 = 0,126
/
: 0,58 ∗ 44,1 ∗ 0,032 ∗ 0,0363 = 0,030
=
ö
,
,
,
,
/
= 0,092 = 9,2%
Ekvation 2.2 ändras då gasolmängden ändras jämfört med ugn 1.
̇
= 1,369
ö
/
Sedan används ekvation 2.1, med hjälp av beräkningarna ovan och löser energibalansen för ̇
̇
= 22.64
∆
/
= 1184,39 /
När sedan recirkulationsflödet är beräknat ovan med hjälp av ekvation 2.1 kan flödet in i torken
beräknas enligt ekvation 2.12, med värdena för zon 2.
̇
= 1,369 + 22.64 = 24,01
/
Mängden vatten som cirkulerar i torken
̇
= 0,32 ∗ 22.64 + 0,092 ∗ 1,369 = 7.37
/
14
.
Zon 3
För den tredje zonen i torken gäller samma beräkningar men med andra värden, se tabell 5 och 6.
Energibalans, ekvation 2.1:
̇
, +
,
+ ̇
,
,
= ̇
̇ och ̇
är okända, därför beskrivs ̇ = ̇
+ ̇ ö
där ̇ ö
är kg rökgas/s.
Massbalansen är över de ingående gasol- och överskottluftflödena som förbränns till rökgaserna, se
ekvationerna, 2.9, 2.10, 2.11, 2.12:
Tabell 5: Uppmätta tabellvärden från Knauf Danogips och Mörstedt
̇
= 0,607 /
94℃) = 1,010 ⁄ ∗
, (
= 94℃ torrluft temperatur
, = 1759,8
(
80℃) = 1,009 ⁄
,
,
= 80℃
∆ = 2500 ⁄ (
å
80℃) =
,
,å
T, sid 76
1,8755 ⁄
= 80℃
, = 0,115 kg H2O/kg torrluft
T, sid 77
T, sid 77
För att beräkna entalpin för den torra luften används ekvation 2.3
,
= 385,48
⁄
Tabell 6: Uppmätta tabellvärden från Knauf Danogips och Mörstedt
T, sid 77
(
114℃) = 1,012 ⁄
= 114℃
∆ = 2500 ⁄ (
å
114℃) =
, ,å
1,889 ⁄ ∗ T, sid 76
= 114℃
=okänd kg H2O/kg torrluft
, ,
För att kunna lösa ekvation 2.4, måste beskrivas med hjälp av de andra strömmarna. Det görs
enklast genom att använda sambandet i ekvation 2.5.
För att beräkna massan används flöjande omvandling; 1
ekvationerna för CO2, N2, H2O och O2 har följande massa:
: 3,64 ∗ 44,1 ∗ 0,044 ∗ 0,0156 = 0,110
/
15
=
,
∗
= 44,1
ger att
: 24,16 ∗ 44,1 ∗ 0,028 ∗ 0,0156 = 0,465
/
: 4,37 ∗ 44,1 ∗ 0,018 ∗ 0,0156 = 0,054
/
: 0,58 ∗ 44,1 ∗ 0,032 ∗ 0,0156 = 0,013
=
ö
̇
,
,
,
,
= 0,558
ö
/
= 0,092 = 9,2%
/
Här används ekvation 2.1, med hjälp av beräkningarna ovan och löser energibalansen för ̇
̇
= 38.18
∆
.
/
= 427,63kJ/kg
När sedan recirkulationsflödet är beräknat ovan med hjälp av ekvation 2.1 kan flödet in i torken
beräknas. Mängden torra rökgaser i in luften till torken kan nu beräknas med ekvation 2.2.
̇
= 0,558 + 38.18 = 38,74
/
Sammanfattning av de olika zonernas flöden
Tabell 7 är en sammanfattning över rökgasflöde, luftflöde och recirkuleringsflöde i de olika zonerna.
Tabell 7: Sammanfattning av flödena i de olika zonerna
̇
Flöden (kg/s)
ö
̇
,
1,147
1,369
0,558
Zon 1
Zon 2
Zon 3
̇
20,77
24,00
38,74
,
19,62
22,64
38,18
I tabell 8 jämförs vattenmängd, tillförd energi, temperaturförändring och recirkulationsflödet för de
olika flödena. Resultaten diskuteras under rubriken diskussion.
Tabell 8: Jämförelse av vattenmängd, tillförd energi, temperaturförändring samt recirkulationsflödet
̇
Zon 1
Zon 2
Zon 3
,
0,277
0,320
0,115
3434,01
4104,20
1759,80
̇
∆
94,25
90,70
34,00
,
19,62
22,64
38,18
Analys av GCC kurvor
I figur 5 och 6 är det möjligt att studera GCC för torken vid två olika tillstånd. Respektive energier går
att studera i appendix 1 och 2. De två figurerna skiljer sig något vilket förklaras nedan.
Pinchpoint sker vid 80 grader på dagens produktionsanläggning, då varmvattensströmmen inte är
medräknad se figur 5. Enligt ett strömdiagram är det möjligt att observera att den utgående strömmen
bör värma de ingående strömmarna. Undersökning av tabellerna i appendix 1 samt figur 5, är det
möjligt att avläsa att dagens produktion inte tar vara på all energi som finns i utströmmen. Det totala
energiöverskottet ligger på 1357 kW då man väljer att sänka den utgående strömmens temperatur till
30 grader. Vilket är mer än vad den nuvarande värmeväxlaren klara av. Figur 5b, visar istället vad som
16
händer då utsläppet sker vid den temperaturen som värmeväxlaren klarar av. Och då blir det externa
värmebehovet istället 9464 kW. Det undersöks längre fram i rapporten om det är möjligt att förstora
värmeväxlaren. Figur 5 uppvisar även ett värmebehov på 8495,74 kW, beräkningar finns i appendix1a
som i denna processen ska erhållas via den tillsatta energin i gasolugnarna. Resultaten är inte riktigt
korrekta då det jämförs med den tillförda energin till ugnarna.
= 3434,0 + 4104,2 + 1759,8 = 9298
Att det saknas 802,26 kW kan bero på avrundningar av Cp eller att de använda temperaturerna inte
stämmer överrens med den tillförda gasolen, vid det uppmätta tillfället. Det är även så att ∆ är vald
till 5 grader istället för 30 grader som det är över värmeväxlaren. Resultatet visar at det är möjligt att
endast ha 5 graders skillnad.
Figur 5: GCC för original pinch 1a och 1b. Där 1a är den eftertraktade till en början att sänka uttemperaturen till 30
grader. 1b
17
Figur 6: GCC för pinch 2 med uppvärmning av vattenström på 2MW, beräkningar från appendix 3
Figur 6 uppvisar realistiska data där pinch point är placerad vid 8 grader, dvs. det finns inget kylbehov
och därför är det inte nödvändigt att försöka sätta in ytterligare en värmeväxlare. Att V2 inte kan
sänkas till 25 grader beror på att utgående tempertur på varmvattenströmmen är 58 grader. Det är även
möjligt att se den externa värmen som behövs enligt figur 6 är 11335,26 kW, vilket motsvaras av den
tillsatta energin:
+ 2
= 11298
Att det pinchade primärenergibehovet skiljer sig från
+ 2
beror i detta läget inte på att ΔT
är olika utan att olika värden på Cp inte har varit helt rätt. Då skillnaden endast är några få kW.
18
Beräkning av värmeväxlare
Innan K1, K2, K3 splittas bör de värmeväxlas, i figur 7 är de ström 2.
Figur 7: Närbild motströmsvärmeväxlare, med verkliga temperaturer
För att massbalansen ska stämma antas flödet ut ur värmeväxlaren vara lika stort som det behövda
flödet in för de tre gasolflödena. I det ena processchemat framgick det att temperaturen ut ur
värmeväxlaren bör ha en temperatur på ca 80 grader (ekvation 2.17) för att sedan kunna kyla
varmvattnet som används i anläggningen. Det behövda luftflödet är summan av de tre inströmmarna
till varje ugn, se tabell 9.
Tabell 9: Värden uppmätta på Knauf danogips anläggning den 9/4-13
Övertryck (bar)
Temperatur (°C)
Volymsflöde (Nm3/s)
Densitet (kg/m3)
Massflöde (kg/s)
Tillförd effekt (kW)
Luftflöde (kg/s)
=
= 3,21 /
Ström 1:
,
Zon 1
0,6800
46,500
0,0304
2,4456
0,0744
3434,0
1,1850
Zon 2
Zon 3
0,7100
0,7200
44,900
36,000
0,0364
0,0156
2,4456
2,4456
0,0889
0,0381
4104,2
1759,8
1,4160
0,6070
= 3,21 ∗ 1,91 = 6,13 / ℃
(2.15)
Anledningen att Cp är högre för den utgående luften beror på att lufstömmen in i värmeväxlaren
innehåller försumbart med vatten. Och därför kan Cp sättas till 1,005kJ/kg℃.
Ström 2:
=
kW
∆
,
= 3,21 ∗ 1,005 = 3,23 / ℃
= 3,21 ∗ ((1,009 ∗ 94 + 2500 ∗ 0,092 + 0,092 ∗ 94 ∗ 1,88) − 1,005 ∗ 8) = 1069,14
(2.16)
På så sätt kan man beräkna den temperatur som värmeväxlaren kan sänka det utgående luftflödet till
med den nuvarande storleken.
19
,
,
∗((
∗ ,
∗ ,
,
∗
∗ ,
Tut=93,5 ℃
) (
∗ ,
∗ ,
,
∗
∗ ,
)
=1
lös för Tut
(2.17)
Storleken på värmeväxlaren beräknas med hjälp av ekvation 2.18:
=
∗
∗∆
(2.18)
= 277,44 /
∆
=
(
= 100
=
) (
,
,
)
)
(
(
/
∗
= 52,99℃
℃
,
,
)
= 201,76
,
Förändring av pinch 1
Då pinch 2 i figur 7 stämmer väl överrens med verkligheten och inte har något externt kylbehov är det
inte intressant att studera den processen närmare. Nedan undersöks istället om det är lönsamt att göra
en förändring på pinch1 i figur 6. Enligt ovan finns det ett energiöverskott på 1357 kW (se figur 2).
Energiöverskottet kan användas för att höja ingående temperaturen på luftinflödena in i ugnen, vilket
eventuellt skulle bidra till sänkt gasolbehov, se beräkningar nedan. Ingående temperaturen skulle som
mest kunna höjas till 114 grader, då det är en av ugnarna förbränningstemperatur. 1357 kW är mer än
tillräckligt för att förvärma den ingående luften till 114, alltså utförs beräkningarna vi denna tempertur.
Resterande skulle kunna användas för ytterligare värma zoner, detta är dock inte undersökt i denna
rapport. Den totala energin som krävs för att höja temperaturen till 114 istället för 94 grader från 8
grader är:
= 3,21 ∗ ((1,012 ∗ 114 + 2500 ∗ 0,092 + 0,092 ∗ 114 ∗ 1,889) − 1,005 ∗ 8) =
=
∗∆
1146,42
Det betyder att den sista 20 graderna är de mest energikrävande i processen, det beror på att vattnet i
luften passerar förångningstemperturen vilket kräver mer energi.
Då den extra höjningen av temperturen gör att storleken på värmeväxlaren ändras till:
∆
=
(
) (
)
(
=
,
,
,
(
∗
,
,
)
= 35,18℃
)
= 325,8
Arean för en ny värmeväxlare beräknas med kostnadskalkylen och jämförs sedan men hur mycket
gasolkostanden minskar då ingående temperatur till ugnen är 114 istället för 94 grader.
20
Hur förändringen påverkar gasolmängden
Att höja temperaturen till 114℃ medför ytterst liten förändring på flödena, det gör att man skulle
kunna snabba på processen lite men frågan är om det är tillräckligt för att det ska bli lönsamt.
Tabell 10: Skillnad i energianvändning från gasol beroende på ingående lufttemperatur, 94 eller 114 grader
Zon
1
2
3
Summa
Gasolenergi (kW) vi
temp 94 ℃
3434,0
4104,2
1759,8
9298
Gasolenergi (kW) vid
temp 114℃
3409,4
4076,3
1747,7
9233,4
Genom att investera i en 124 m2 större värmeväxlare behövs det 9298-9233,4= 64,6 kW mindre gasol
(enligt tabell 10) vid en temperturökning, då den uppskattade drifttiden är 8000h blir det 0,5168 GWh
på ett år.
Tabell 117: Volym och massflöde på de olika gasolflödena i de olika zonerna
Zon
1
2
3
Summa
Gasol vid temp 94 ℃
Volymsflöde(Nm3/s) Massflöde
(kg/s)
0,0304
0,0744
0,0364
0,089
0,0156
0,0381
0,0824
0,2015
Gasol vid temp 114℃
Volymsflöde(Nm3/s) Massflöde
(kg/s)
0,0302
0,0739
0,0361
0,0883
0,0155
0,0379
0,0818
0,2001
21
Kostnadskalkyl
~för en större värmeväxlare, 326,89 m2
Tabell 12: Beräkningsvärden för kostnadskalkyl
∗
CBM
Cp
75000
25000 V. Figur 5.36 Kolla!!
3 V. Figur 5.38
1 V. Figur 5.36
1,16V s.7
1,24V s.7
115V s.10
148V s.10
7,3V s.10
FM
⁄
ä
IAK år 2012
IAK år 2004
VKK år 2004
Anläggningskostnaden i dollar beräknas med ekvation 2.19 till 107900 dollar
$
= (∑
(
) )∗
⁄
∗
(2.19)
ä
Med valutakonvertering blir kostnaden
=
$,
∗
å å ∗
= 611900
å (2.20)
Insparad gasolkostnad i svensk valuta då ingående luftens temperatur är 114 grader istället för 94
grader är 611900 SEK.
Intäkt och driftskostnad
Intäkter för fabriken tros ej förändras vid ombyggnationen. Dock kommer driftskostnaderna att
förändras. För att beräkna driftskostnader används en checklista, se appendix 3 .V s.11
Bundet kapital
Det bundna kapitalet delas upp i lagerhållning av råvaror och reservdelar.
Lagerhållning av råvaror
Eftersom alla råvaror inte kan användas direkt, binds en del kapital upp. Därefter är ungefär samma
konstanta summa bunden under hela anläggningens livslängd. Bundet kapital sätts upp som årsvisa
utbetalningar. I detta fall antas lagerhållningen vara försumbar alltså att all gasol som används kommer
direkt från ett annat företags lagring i hamnen. Det gör att lagerhållningen är noll.
Den årliga utbetalningen för gasol beräknas enligt ekvation 2.21. Priset på gasol är 0,5 kr/kWhW, sid. 3.
Å
ö = 100
ℎ ∗ 0,5
= 50
(2.21)
Enligt beräkningar ovan behövs det 0,5168 GWh mindre gasol per år om temperaturen höjs, det
innebär att den årliga utbetalningen för gasol sänks med:
0,5168
ℎ ∗ 0,5
= 258400
(2.22)
Då gasolen oftast lagars i ett trycksatta, kylda berggrunder i hamnen antas det även gälla för gasolen
som Knauf danogips använder vilket innebär att de själva inte står för lagringskostnader.
22
Reservdelar
Enligt tumregel binds 10-20 % av underhåll och reparation i reservdelar. Vilket blir 4590 kronor om
andelen sätts till 15 %
Direkta rörliga kostnader
Direkt rörliga kostnader delas upp i råvaror och underhåll och reparation.
Råvaror
Den årliga utbetalningen för gasol räknas ut enligt ekvation 2.21 till 50 miljoner kronor, detta är dock
inte väsentlig information i beräkningarna nedan då det inte är något bränslebyte som ska ske.
Underhåll och reparationer
Kostnaden för underhåll och reparationer motsvarar enligt tumregel 2-10 % av den totala
anläggningskostnaden. I den kostnaden ingår löner och material. Om andelen väljs till 5 % blir
kostnaden för underhåll och reparationer 30600 kronor.
Övriga punkter ur checklistan som inte behandlas anses inte vara relevanta för Knauf Danogips.
Total driftskostnad
Den totala driftskostnaden kan nu beräknas genom att summera alla kostnadsposter enligt ekvation
2.23.
=
50 000000 + 30596,37 = 50,04
+ å
+
ℎå ℎ
= 4589,46 +
Då gasol alltid kommer vara en råvara blir det ingen skillnad i kostnaderna, alltså kan driftkostnaderna
förenklas till
0,014
=
+
ℎå ℎ
= 0,0018 + 0,0122 =
(2.23)
= 35200
Kalkyler
Summa nuvärde, Sn, beräknas enligt ekvation 2.24.
=
∗
−
(2.24)
där nuvärdesfaktorn fn beräknas enligt ekvation 2.25. Där X=0.15 och N=20.
=
(
)
=
(
.
.
)
= 6.26
(2.25)
Den årliga nettoinbetalningen, ai, beräknas enligt ekvation 2.26. Där Ii är den besparing som sker
genom att köpa in mindre gasol (50 miljoner kronor om året) vid användning av större värmeväxlare
och Ui är de årliga utgifterna.
=
−
= 258400 − 35185,83 = 223200
å
(2.26)
G är grundinvesteringen och är detsamma som anläggningskostnaden, 611900kronor, se ekvation
2.20 Summa nuvärde beräknas med ekvation 2.24:
= 223214,17 ∗ 6,26 − 611927,43 = 785400
Återbetalningstiden, n, beräknas enligt pay-off metoden enligt ekvation 2.27.
23
∗
=−
(
)
=−
,
(
,
∗
,
,
)
= 4å
(2.27)
Känslighetsanalys och val av metod
Nuvarande extrautgifter för gasol om temperaturen är 94 jämfört med 114 grader är 258400 kronor
om året. En känslighetsanalys, se tabell 13, utförs för att se hur intäkterna förändras då priset på gasol
höjs eller sänks med 50 %. Nya gasolpriser blir då, se ekvation 2.22:
- 0,75 kr/kWh
- 0,25 kr/kWh
Tabell 83: Värden för bedömning i känslighetsanalys då priset höjs resp. sänks med 50%
Pris gasol
Ii
Ui
ai
Sn
Ursprungliga (kr)
0,5 kr/kWh
258400
35200
223200
785400
Höjning (kr)
0,75 kr/kWh
387600
35200
352400
1,59 milj
Sänkning (kr)
0,25 kr/kWh
129200
35200
94000
-23400
Figur 8 visar att då priset på gasol höjs så kommer man tjäna mer på att höja temperaturen till 114
grader, alltså införskaffa en större värmeväxlare. Detta är sant så länge priset på gasol inte sjunker med
mer än 49,6% då är det inte längre lönsamt att byta till en större värmeväxlare. Det motsvara i dagens
värde 0,257 kr/kWh gasol.
Figur 8: Känslighetsanalys; summa nuvärde plottas mot prisförändringen och resultatet
24
Byte till ångpanna
För att byta bränslekälla till flis eller träpulver krävs en ångpanna eftersom soten i rökgaserna förstör
gipsskivor. De varma rökgaserna används för att förånga vatten. Ångan kan därefter användas för att
värma upp luft som ska användas i torken. För att se om byte av bränsle är lönsamt görs en ekonomisk
analys som visar hur lång återbetalningstiden är. Ett flödesschema över den nya anläggningen visas i
Appendix 5. Då tre torkzoner används behövs det också tre värmeväxlare för att värma upp ingående
luft till lämplig temperatur med hjälp av utgående vattenånga ur ångpannan. Vattenångan delas därför
upp i tre olika strömmar med storlek beroende på temperaturskillnaden de ska åstadkomma för
inluften. Kondensatet förs sedan in i en matarvattentank för att sedan pumpas tillbaka till ångpannan
igen. Trycket i ångpannan är 35 bar vilket innebär att mättnadstemperaturen är 242,54 °C. Luften som
värmeväxlas mot vattenångan är en blandning av ny inluft och den recirkulerade luften från
torkzonerna. Luftflödet i torken sätts till samma storlek som det är på fabriken idag.
Ekonomisk analys vid byte till flis
För att se om det är lönsamt att byta bränsle från gasol till flis görs en ekonomisk analys. Den totala
produktionskostnaden kan delas upp i anläggningskostnad och driftskostnad enligt ekvation 3.1.
Total kostnad=Anläggningskostnad+ Driftskostnad
(3.1)
I anläggningskostnad ingår kostnader så som inköp av apparater, installation av dem samt övriga
åtgärder som krävs för att anläggningen ska kunna köras. I driftskostnader ingår kapital för drift av
produktionsanläggningen. Där ingår även råvarukostnad samt kostnad för driftspersonal och
administration.S s.113
Designparametrar
Det första steget i den ekonomiska analysen är att beräkna olika designparametrar. Med hjälp av bland
annat energibalans (Ekv 3.2) och materialbalans (Ekv 3.3) kan massflödena för flis, rökgas och luft
beräknas. Eftersom allt vatten blir till ånga i ångpannan är ̇
= ̇å .
Energibalans ångpanna:
̇
∗
∗ ̇ ö
∗ ö
∗ ö
+ ̇
∗∆
+ ̇
Materialbalans ångpanna:
̇
+ ̇
= ̇ ö
∗
∗
= ̇å
∗
å
+
(3.2)
(3.3)
Massflödet flis som behövs är än så länge okänt. För att beräkna massflödet flis måste först mängden
luft som krävs för att förbränna 1kg flis beräknas. Det utförs med ekvation 3.4, 3.5 och ekvation 3.6.
För att uppnå fullständig förbränning läggs det till ett luftöverskott på 10 % i ekvation 3.5. Tabell 14
visar hur stor andel av kol, väte och syre som ved innehåller. l0t säger hur mycket luft som teoretiskt
behövs för att förbränna ett kg av ämnet.
Tabell 14: Förbränningsdata för olika ämnen T sid.24-25
Ämne
C
H
O
Andel (%)
49.7
6.1
43.7
l0t (m3/kg)
9.0
27.0
-3.38
l0t=0.497*9.0+ 0.061*27-3.38*0.437=4.64 m3/kg
φluft (0°C)=1.276 kg/m3 T s.77
=
(3.4)
∗ 1.1 = 5.11
(3.5)
25
̇
=
∗φ
°
∗ ̇
= 6.52 ∗ ̇
(3.6)
Massflödet av rökgaser uttrycks med en sammanslagning av ekvation B och D enligt ekvation 3.7.
̇
= ̇
ö
+ ̇
= 6.52 ∗ ̇
+ ̇
(3.7)
Nedanståend värden används för beräkningar:
̇
= 5.3 /
(se värmeväxlarberäkningar)
Tvatten=373.15K
Cp vatten (vätska vid 100 °C)= 4210 J/(kg*K)T s.76
ΔHflis (fukthalt 45 %)=9.5 MJ/kg N, sid 4
Cp luft(luft vid 20°C)=1005 J/(kg*K)T s.76
Tluft =293.15 K
Tånga (mättad, 35 bar)=506.99 K T s.45
Hånga(mättad, 35 bar)=2803 kJ/kg T s.45
Rökgastemperatur antas:
Trökgas=423.15 K
För att beräkna CP för rökgaserna används rökgasinnehållet för förbränning av ved.
Fuktig rökgas innehåller 17.7 vol% CO2, 13 vol% H2O och 69.3 % N2 vid 150°C.T, sid 24
CP för rökgaserna blir enligt ekvation 1.8 1.031 kJ/kg*K.
Cp CO2(150°C)=42.57 kJ/kmol*KT s.28= 0.96 kJ/kg*K
Cp H2O(150°C)=34.38 kJ/kmol*KT s.28=1.91 kJ/kg*K
Cp N2(150°C)=29.38 kJ/kmol*KT s.28=1.05 kJ/kg*K
Cp rökgas =0.177* Cp CO2(150°C )+0.13 Cp H2O(150°C)+0.693 Cp N2(150°C)= 1.15 kJ/kg*K (3.8)
Med hjälp av ekvationerna 3.2-3.8 beräknas massflödet flis till 0.84 kg/s.
För att uppskatta kostnaden för inköp och drift av värmeväxlarna måste areorna beräknas. Då torken
innehåller tre torkzoner delas luftflödet och ångströmmarna upp i tre delar.
Värmeväxlare 1
Luftströmmen ut ur torkzon 1 recirkuleras och blandas med inluftströmmen till värmeväxlare 1.
Ångflödet som behövs för att värma upp luften till önskad temperatur beräknas med ekvation 3.9
̇å ∗∆
=
(3.9)
Ekvation 3.10 beräknas med följande värden:
∆
( 35
) = 1752.97 / T, sid 45
= 3434
Ekvation 3.10 ger att ̇ å = 1.96
/
Värmeväxlarens area beräknas enligt ekvation 3.10-3.13:
=
∆
,
=
∆1 =
∗
∆
(3.10)
,
∆
å
∗∆
(3.11)
∆
∆
−
= 515.69 − 394.94 = 121.79
26
(3.12)
∆2 =
∆
,
=
∆
∆
−
.
=
∆
∆
= 515.69 − 492.05 = 23.64
.
.
(3.13)
= 59.87
.
Värmeväxlaren antas ha ett värmegenomgångtal på 80 W/m2 eftersom värmeväxlingen sker mellan
vätska och gasX.
= 80 X
Ekvation 3.10 ger att värmeväxlarens area, A1, är 717 m2.
Värmeväxlare 2
Luftströmmen ut ur torkzon 2 recirkuleras och blandas med inluftströmmen till värmeväxlare 2.
Ångflödet som behövs för att värma upp luften till önskad temperatur beräknas med ekvation 3.14
̇å ∗∆
=
(3.14)
̇ å beräknas med hjälp av följande värden:
∆
( 35
= 4104
) = 1752.97 /
Ekvation 3.18 ger att ̇ å = 2.34
T, sid 45
/
Värmeväxlarens area beräknas enligt ekvation 3.15-3.18:
=
∆
,
=
∆1 =
∗
∆
,
(3.16)
∆
∆
−
∆2 =
∆
=
(3.15)
,
∆
å
∗∆
∆
∆
=
∆
∆
−
= 515.69 − 412.51 = 103.18
(3.17)
= 515.69 − 504.85 = 10.84
(3.18)
.
.
.
= 40.98
.
Värmeväxlaren antas ha ett värmegenomgångtal på 80 W/m2 eftersom värmeväxlingen sker mellan
vätska och gasX.
X
= 80
Ekvation 3.15 ger att värmeväxlarens area, A2, är 1252 m2.
Värmeväxlare 3
Luftströmmen ut ur torkzon 3 recirkuleras och blandas med inluftströmmen till värmeväxlare 3.
Ångflödet som behövs för att värma upp luften till önskad temperatur beräknas med ekvation 3.19
̇å ∗∆
=
(3.19)
̇ å beräknas med hjälp av följande värden:
∆
(
35
) = 1752.97 /
T, sid 45
27
= 1760
Ekvation 3.19 ger att ̇ å = 1.00
/
Värmeväxlarens area beräknas enligt ekvation 3.20-3.23:
=
∆
,
=
∆1 =
∗
∆
,
=
(3.21)
∆
∆
−
∆2 =
∆
(3.20)
,
∆
å
∗∆
∆
∆
∆
∆
= 515.69 − 353.9 = 161.79
−
=
= 515.69 − 387.15 = 128.54
.
.
.
.
(3.22)
(3.23)
= 144.53
Värmeväxlaren antas ha ett värmegenomgångtal på 80 W/m2 eftersom värmeväxlingen sker mellan
vätska och gasX.
X
= 80
Ekvation 3.20 ger att värmeväxlarens area, A3, är 152 m2.
Det totala vattenflödet i ångpanna beräknas med ekvation 3.24 till 5.3 kg/s.
̇
= ̇ å + ̇ å + ̇ å = 5.3
/
(3.24)
Matarvattentank
En lagom stor matarvattentank ska ha tio minuters vatten redoY. Storleken på tanken kan beräknas med
ekvation 3.34. För säkerhets skull görs tanken 20 % större än tio minuters vatten.
= ̇
∗ 10 ∗ 60 ∗ 1.20 = 3.8
(3.34)
Lämpliga dimensioner på tanken kan då vara 2.5 meter hög och 1.4 meter i diameter.
Apparatkostnad
För att beräkna vad varje ny apparat kommer att kosta, räknas en modulkostnad, CBM, ut för varje
apparat enligt ekvation 3.35. CM är modulkostnad för apparat i kolstål vid standardtillstånd och
modulfaktorn som tar hänsyn till tryck, temperatur, material och påslag. Ekvationen ger svaret i
enheten dollar.
=
∗
är
(3.35)
Modulkostnad för de tre värmeväxlarna
Tre olika modulkostnader räknas ut för de tre värmeväxlarna. CM avläses för respektive värmeväxlare
genom att sätta in värmeväxlarens area för tub värmeväxlare V s.42 fig. 5.36. Tubvärmeväxlare väljs för att
de tål höga tryck och temperaturer och fungerar väl för kondenseringZ. CM för värmeväxlare ett är
45000 $, värmeväxlare två 220000 $ och för värmeväxlare tre 15000 $. Värmeväxlarna kan bestå av
kolstål på både luftsidan och vattensidan (boiler feed-vatten antas användas)V s.17 tab. 4.1a.
Materialfaktorn, FM, för de tre värmeväxlarna avläses till 1V s.42 fig. 5.36. Tryckfaktorn, Fp, avläses till
1.12 då trycket i värmeväxlarna är 35 bar. V s.43 fig. 5.37. Med hjälp av tryckfaktorn och materialfaktorn
avläses
till 3.2V s.43 fig. 5.38. Med hjälp av ekvation 3.35 kan nu modulkostnaden räknas ut.
Resultaten redovisas nedan i tabell 15.
28
Modulkostnad för ångpannan
CM för en fliseldad ångpanna är 1.9 miljoner dollar.AA FBM avläses till 1.8 då den antas vara
färdigmonterad vid köpV s.39 fig. 5.25. Fp sätts till 1.475 då trycket är 35 bar i ångpannan. FT sätts till 1.00
eftersom ångan ej överhettas. CBM beräknad med ekvation 3.36 till 5.04 miljoner dollar.
=
∗
∗
∗
(3.36)
I tabell 15 nedan redovisas modulkostnaden för ångpannan.
Modulkostnad för matarvattentank
Tankens innehåll är vid atmosfärstryck och konstruktionsmaterialet bör vara kolstålV s.17. FM sätts till 1
eftersom tanken är av kolstål. Då trycket är 35 bar blir FP=3.0V s.45 diagram 5.45. Det ger
=6 V s.45 diagram
5.46
V sid 44 diagram 5.44
då tanken är horisontell. Apparatkostnaden för matarvattentanken blir 6500 dollar
.
Modulkostnaden beräknas med ekvation 3.37 till 39000 dollar.
=
∗
= 39000$
(3.37)
Tabell 95: Modulkostnader för de olika apparaterna
Apparat
Värmeväxlare 1
Värmeväxlare 2
Värmeväxlare 3
Ångpanna
Matarvattentank
CBM ($)
144000
704000
48000
5040000
39000
Anläggningskostnad
Anläggningskostnaden beräknas med hjälp av modulkostnaderna och Ulrich’s påslagsfaktorer fnivå2
och fhjälp, se ekvation 3.38.
$
=∑
∗
å
∗
(3.38)
ä
fnivå2 är en påslagsfaktor för entreprenad och oförutsett. Oförutsett är en kostnad som nästan alltid
uppstår, men vars kostnadsbärare är okänd på förhand. Som tumregel gäller att oförutsett är 10%
(Yof=0.10) av apparatkostnaden och entreprenad 4-11%. Entreprenad har valts till 7 % (Yen=bla). Fnivå2
blir då enligt ekvation 3.39 1.17.
å
=1+
+
(3.39)
fhjälp är en påslagsfaktor för hjälpanläggningar så som byggnader och processer. Påslaget beror därför
på omständigheterna. I detta fall ska anläggningen byggas på ett redan befintligt fabriksområde vilket
antagligen leder till minskat påslag. Påslag för byggnader, Yhb, är 2-6% och Yhp, påslag för
hjälpprocesser, är 17-25%. Påslagsfaktorn för hjälpanläggningar beräknas med ekvation 3.40 till 1.22
där Yhb har satts till 2 % och Yhp till 20 %. Med ekvation 3.40 beräknas fhjälp till 1.22V s.7
ä
=1+
+
(3.40)
Anläggningskostnaden räknas ut enligt ekvation 3.38 till 8.52 miljoner dollar (7.19 miljoner dollar för
ångpannan och 1.33 miljoner dollar totalt för de andra apparaterna).
Valutakonvertering och kostnadsuppdatering
För att få en uppfattning av hur mycket pengar anläggningen kommer att kosta bör kostnaderna i
dollar räknas om till svensk valuta i nutid. Detta kan göras med ekvation 3.41. Indexkurserna och
29
växelkursen hämtas ur tabell V s.10. IAK står för kostnadsindex för svensk apparattillverkning och
avläses till 148 för år 2012, 138 för år 2008 och till 115 för år 2004. VKK är en växelkurs baserad på
BNP per GNP och avläses till 7,4 för år 2008 och 7.3 för 2004. Prisuppgifter för ångpannan är tagna
från 2008 och för övriga apparater från 2004. V s.9-10
beräknas med ekvation H till 7.19 miljoner dollar och $,ö
beräknas till
$,å
0.66 miljoner dollar. Kostnaden i kronor beräknas med ekvation 3.41 till 69.56 miljoner kronor.
=
∗
$,å
å ∗
å å +
$,ö
å ∗
∗
å å (3.41)
Intäkt och driftskostnad
Intäkter för fabriken tros ej förändras vid ombyggnationen. Dock kommer driftskostnaderna att
förändras. För att beräkna driftskostnader används en checklista, se Appendix 3.V s.11
Bundet kapital
Eftersom alla råvaror inte kan användas direkt, binds en del kapital upp. Vid uppstart av en anläggning
binds kapitalet upp. Därefter är ungefär samma konstanta summa bunden under hela anläggningens
livslängd. Bundet kapital sätts upp som årsvisa utbetalningar.
Lagerhållning av råvaror
I detta fall antas lagerhållningen vara en vecka. Kostnaderna för råvarorna och lagerhållningen räknas
ut per år med hjälp av en annuitetsfaktor. Annuitetsfaktorn beräknas enligt ekvation 3.42.
=
(
(3.42)
)
Fast penningvärde och realränta används vid beräkningarna. Enlig tumregel är realräntan x=0.15 V s.12.
Den ekonomiska livslängden antags vara N=20 år. Annuitetsfaktorn beräknas då enligt ekvation N.S,
sid. 132
=
1 − (1 + )
=
0.15
(
1 − 1 + 0.15)
= 0.16
Den årliga utbetalningen för flis beräknas enligt ekvation 3.43. Priset på flis är 20.1 öre/kWhO, sid. 3 och
fabrikens driftstid antas vara 8000 timmar/år.
Å
ö
20.1
ö =
∗ ̇
å
∗
∗
ä
ä
= 12.83
/å
(3.43)
Lagerhållningskostnaden för flis beräknas med ekvation 3.44.
ℎå
12.83
∗
=å
∗ 0.16 = 39500
ö ∗
ℎå
å ∗ =
(3.44)
Reservdelar
Enligt tumregel binds 10-20 % av underhåll och reparation i reservdelar. Vilket blir 0.52 miljoner
kronor om andelen sätts till 15 %
Direkta rörliga kostnader
De direkt rörliga kostnaderna beräknas nedan. De delas in i råvaror och underhåll och reparationer.
Råvaror
Den årliga utbetalningen för flis räknas ut enligt ekvation 3.43 till 12.83 miljoner kronor.
30
Underhåll och reparationer
Kostnaden för underhåll och reparationer motsvarar enligt tumregel 2-10% av den totala
anläggningskostnaden. I den kostnaden ingår löner och material. Om andelen väljs till 5 % blir
kostnaden för underhåll och reparationer 3.45 miljoner kr.
Övriga punkter ur checklistan som inte behandlas anses inte vara relevanta för Knauf Danogips.
Total driftskostnad
Den totala driftskostnaden kan nu beräknas genom att summera alla kostnadsposter enligt ekvation
3.45 till 16.84 miljoner kronor.
=
ℎå
å
16.84
+
+ å
+
ℎå ℎ
=
(3.45)
Kalkyl
En kalkyl har utförts baserat på att Knauf Danogips förbrukar 75 GWh per år.
Summa nuvärde, Sn, beräknas enligt ekvation 3.46.
=
∗
−
(3.46)
där nuvärdesfaktorn fn beräknas enligt ekvation B2. Där X=0.15 och N=20, enligt ekvation 3.47.
=
(
)
=
(
.
.
)
= 6.26
(3.47)
Den årliga nettoinbetalningen, ai, beräknas enligt ekvation 3.48. Där Ii är den besparing som sker
genom att inte köpa in gasol. Enligt beräknad energianvändning förbrukar de 75 GWh per år. Med ett
pris på 50 öre/kWh motsvarar det 37.5 miljoner kronor per år. Ui är de årliga utgifterna, det vill säga
kostnaden för flis.
=
−
= 37.5 − 12.83 = 24.67
å
(3.48)
G är grundinvesteringen och är detsamma som anläggningskostnaden, 69.56 miljoner kronor, se
ekvation M. Summa nuvärde beräknas med ekvation A2 till 84.9 miljoner kronor.
Återbetalningstiden, n, beräknas enligt pay-off metoden enligt ekvation 3.49.
∗
=−
(
)
= 3.93å
(3.49)
Känslighetsanalys
En känslighetsanalys utförs för att se hur intäkterna förändras då priset på flis höjs eller sänks med 50
%.
Nuvarande utgifter för flis är 10.39 miljoner kronor om året. Med 50 % variation i priset blir utgifterna
15.6 respektive 5.2 miljoner kronor om priset höjs och sänks. Ändringen av summa nuvärde vid
prisförändring visas i tabell 16.
Tabell 16. Prisförändring
Prisförändring
Ui
ai
Sn
+50 %
19.25 miljoner kronor
18.26 miljoner kronor
44.75 miljoner kronor
31
-50%
6.42 miljoner kronor
31.02 miljoner kronor
139.9 miljoner kronor
Summa nuvärde plottas mot prisförändringen och resultatet visas i figur 9. Figuren visar att
investeringen är okänslig mot prisförändringar på flis.
Känslighetsanalys
Summa nuvärde (milj. kr)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-60
-40
-20
0
Prisförändring (%)
20
40
60
Figur 9: Känslighetsanalys
Ekonomisk analys vid byte till träpulver
En till ekonomisk analys utförs, nu för att se hur den totala kostnaden förändras då gasolen byts till
träpulver. De flesta beräkningar är desamma som vid byte till flis. Skillnaderna visas nedan.
Designparametrar
Träpulver har ofta en lägre fukthalt än flis vilket gör att det effektiva värmevärdet blir större.
Fukthalten i träpulver är 7 % jämfört med flis som har 12 %. Det effektiva värmevärdet för pulver med
7 % fukthalt är 17,7 MJ/kg Å s.4. Eftersom förbränningsvärmet för pulver skiljer sig lite från
förbränningsvärmet hos flis måste nya massflöden för bränsle, luft och rökgas beräknas. Detta görs
med ekvationerna 3.2-3.7. Det ger massflödena ̇
= 0.41 / , ̇
= 2.67 / ,
̇ ö
= 3.08 / .
Värmeväxlare 1,2 och 3 samt matarvattentank
Eftersom endast flödena för förförbränningsluften och för bränslet ändras, kommer värmeväxlarna och
matarvattentanken ha samma dimensioner som tidigare.
Apparatkostnad
Med de nya designparametrarna beräknas ny apparatkostnad för ångpannan. Beräkningarna är utförda
på samma sätt som tidigare.
Modulkostnad för de tre värmeväxlarna och matarvattentanken
Eftersom värmeväxlarna och matarvattentanken är lika dana som i fallet då flis används som bränsle,
blir modulkostnaderna de samma. Se tabell 17 nedan.
Modulkostnad för ångpannan
Cp för en träpulvereldad ångpanna är 1.8 miljoner dollarF. FBM avläses till 1.8 då den antas vara
färdigmonterad vid köpV s.39 fig. 5.25. Fp sätts till 1.475 då övertrycket är 35 bar i ångpannan. FT sätts till
32
1.00 eftersom ångan ej överhettas. CBM beräknad med ekvation 3.50 till 4.78 miljoner dollar. I tabell
18 nedan redovisas modulkostnaden för ångpannan.
=
∗
∗
∗
(3.50)
Tabell 18: Modulkostnader för de olika apparaterna
Apparat
Värmeväxlare 1
Värmeväxlare 2
Värmeväxlare 3
Ångpanna
Matarvattentank
CBM ($)
144000
704000
48000
4780000
39000
Anläggningskostnad
Anläggningskostnaden beräknas med hjälp av modulkostnaderna och Ulrich’s påslagsfaktorer fnivå2
och fhjälp, se ekvation 3.51. Liksom i fallet med flis sätts fnivå2 till 1.17 och fhjälp till 1.22.
$
=∑
∗
å
∗
(3.51)
ä
Anläggningskostnaden räknas ut enligt ekvation 3.51 till 8.15 miljoner dollar (6.82 miljoner dollar för
ångpannan och 1.33 miljoner dollar totalt för de andra apparaterna).
Valutakonvertering och kostnadsuppdatering
Anläggningskostnaden räknas om till svensk valuta i nutid med hjälp av ekvation M. Liksom tidigare
är IAK 148 för år 2012, 138 för år 2008 och 115 för år 2004. VKK är 7,4 för år 2008 och 7.3 för 2004.
Prisuppgifter för ångpannan är tagna från 2008 och för övriga apparater från 2004. V s.9-10
är enligt ekvation 3.51 6.82 miljoner dollar och $,ö
är 0.92 miljoner
$,å
dollar. Kostnaden i kronor beräknas med ekvation 3.52 till 66.62 miljoner kronor.
=
$,å
∗
å å ∗
å +
$,ö
∗
å å ∗
å (3.52)
Intäkt och driftskostnad
Intäkter för fabriken tros ej förändras vid ombyggnationen. Dock kommer driftskostnaderna att
förändras. För att beräkna driftskostnader används checklistan i appendix 3.V s.11
Bundet kapital
Eftersom alla råvaror inte kan användas direkt, binds en del kapital upp. Vid uppstart av en anläggning
binds kapitalet upp. Därefter är ungefär samma konstanta summa bunden under hela anläggningens
livslängd. Bundet kapital sätts upp som årsvisa utbetalningar.
Lagerhållning av råvaror
Lagerhållningen antas, liksom i fallet för flis, vara en vecka. Annuitetsfaktorn är som tidigare 0.16 (
då realräntan är 0.15 och den ekonomiska livslängden är 20 år).
Den årliga utbetalningen för träpulver beräknas enligt ekvation 3.53. Den årliga utbetalningen för
träpulver beräknas enligt ekvation 3.53. Priset på träpulver är 31 öre/kWhO, sid 3 och fabrikens driftstid
antas vara 8000 timmar/år.
33
Å
31
ö
ö ä
∗ ̇ ä
∗
=
∗
å
ä
ä
ä
= 18
/å
(3.53)
Lagerhållningskostnaden för träpulver beräknas med ekvation 3.54
.
ℎå
=å
ö ä
∗
14.49
∗ ∗ 0.16 = 55000
ℎå
å ∗
(3.54)
=
Reservdelar
Enligt tumregel binds 10-20 % av underhåll och reparation i reservdelar. Vilket blir 0.50 miljoner
kronor om andelen sätts till 15 %.
Direkta rörliga kostnader
De direkt rörliga kostnaderna beräknas nedan. De delas in i råvaror och underhåll och reparationer.
Råvaror
Den årliga utbetalningen för träpulver räknas ut enligt ekvation 3.53 till 18 miljoner kronor.
Underhåll & reparationer
Kostnaden för underhåll och reparationer motsvarar enligt tumregel 2-10% av den totala
anläggningskostnaden. I den kostnaden ingår löner och material. Om andelen väljs till 5 % blir
kostnaden för underhåll och reparationer 3.33 miljoner kr.
Övriga punkter ur checklistan som inte behandlas anses inte vara relevanta för Knauf Danogips.
Total driftskostnad
Den totala driftskostnaden kan nu beräknas genom att summera alla kostnadsposter enligt ekvation
3.55. Den totala driftskostnaden blir 18.0 miljoner kronor.
=
ℎå
å
21.89
+
+ å
+
ℎå ℎ
=
(3.55)
Kalkyl
Liksom för flis, utförs en kalkyl baserat på att Knauf Danogips använder 75 GWh per år.
Summa nuvärde, Sn, beräknas enligt ekvation 3.56.
= ∗ −
(3.56)
där nuvärdesfaktorn fn beräknas enligt 3.57. Där X=0.15 och N=20, enligt ekvation N.
=
(
)
=
(
.
.
)
= 6.26
(3.57)
Den årliga nettoinbetalningen, ai, beräknas enligt ekvation 3.58. Där Ii är den besparing som sker
genom att inte köpa in gasol. Enligt beräknade värden förbrukar Knauf Danogips 75 GWh per år. Med
ett pris på 50 öre/kWh motsvarar det 37.5 miljoner kronor per år. Ui är de årliga utgifterna, det vill
säga kostnaden för flis.
=
−
= 37.5 − 18 = 19.5
å
(3.58)
G är grundinvesteringen och är detsamma som anläggningskostnaden, 66.62 miljoner kronor, se
ekvation 3.52. Summa nuvärde beräknas med ekvation 3.56 till 55.45 miljoner kronor.
34
Återbetalningstiden, n, beräknas enligt pay-off metoden enligt ekvation 3.49.
∗
=−
(
)
= 5.14å
(3.49)
Känslighetsanalys
En känslighetsanalys utförs för att se hur intäkterna förändras då priset på träpulver höjs eller sänks
med 50 %.
Nuvarande utgifter för träpulver är 14.39 miljoner kronor om året. Med 50 % variation i priset blir
utgifterna 24.36 respektive 8.12 miljoner kronor om priset höjs och sänks. Summa nuvärde vid
prisförändring visas i tabell 19.
Tabell 19: Prisförändring
Prisförändring
Ui
ai
Sn
+50%
27 miljoner kronor
10.5 miljoner kronor
-0.89 miljoner kronor
-50%
9 miljoner kronor
28.5 miljoner kronor
112 miljoner kronor
Summa nuvärde plottas mot prisförändringen och resultatet visas i figur 11. Figuren visar att
investering så gott som klarar känslighetsanalysen.
Känslighetsanalys
120
Summa nuvärde (milj. kr)
100
-60
80
60
40
20
0
-40
-20
0
-20
Prisförändring (%)
Figur 11: Känslighetsanalys
35
20
40
60
Pinchanalys över torken efter byte till ångpanna
Som tabell 21 och 22 (Appendix 6) visar, ger denna pinchanalys en pinch på 94°C och en minsta
värmetillförsel och minsta kyltillförsel på 5121 kW respektive 0 kW. Med andra ord finns ett stort
värmebehov, vilket är typiskt för torkningsprocessen. Ändå handlar det fördelaktligt bara om drygt
hälften av den gaseffekt som tillförs vid dagens process. Behovet att värma varmvatten med 2 MW
är inte medtaget i denna pinchanalys, likaså möjligheten att ta ut värme från rökgasströmmen. En
grand composite curve (GCC) visas nedan i figur 13 och kan avslöja hur stora värmebehov som
finns mellan de olika temperaturerna i processen.
Grand Composite Curve (GCC)
240
220
Temperature (degrees C)
200
180
160
140
120
100
80
0
1000
2000
3000
Power (kW)
4000
Figur 53. GCC för pinchanalysen utav torkning vid användning av ångpanna.
36
5000
6000
Diskussion
Pinchanalys över torken som den ser ut idag
Som processen ser ut i dagens läge, har Knauf danogips tagit vara på energin på ett väldigt bra sätt.
Processen har jämförts på tre sätt;
a. Torkning med endast en värmeväxlare där temperaturen på luftflödet in i ugnarna höjs till 94
grader
b. Torkning med endast en värmeväxlare där temperaturen på luftflödet in i ugnarna höjs till 114
grader
c. Torkning med två värmeväxlare där den andra värmer upp anläggningens varmvatten med
2MW
För a finns det ett kylbehov på 1357 kW vilket nästan åtgärdas i b, men istället måste företaget
investera i en värmeväxlare på 326,89 m2. Värmeväxlaren visade sig emellertid vara lönsam så länge
inte gasolpriset gick under 25,7 öre/kWh (dagens pris ligger på 50 öre/kWh). Inte att förkasta är att en
5,6 gånger så stor värmeväxlare (326,89m2) tar betydligt mycket mer plats än vad dagens
värmeväxlare även om produktionen och återbetalningstiden skulle klara av det. Företaget har i
dagsläget process c vilket visar sig vara lika bra som process b. Valet blir ändå process c, det beror på
att det är en bättre lösning på energiproblemet att värma varmvattnet på anläggningen. Det är bättre att
använda överskottet av energi på egna anläggningen istället för att spara gasol och därmed behöva
köpa in el för att värma upp varmvattnet. Dessutom visar det sig under resultatdelen i rapporten att
även om 1015 kW av överskottet tas om hand finns det fortfarande 1357-1015=342 kW kvar, vilket
göra att process c är det självklara valet.
Enligt tabell 7 är skillnaderna mellan zon ett och två i storleksordning förväntade, zon tre borde ha ett
mindre recirkulationsflöde då rökgasflödet är mindre. Är 38,18 kg/s (dubbelt så stort som zon ett)
rimligt? Zon två har ett större rökgasflöde än zon ett och därmed ett större cirkulationsflöde medan
zon tre har ett mindre rökgasflöde men ett större cirkulationsflöde. Det finns några aspekter att ta
hänsyn till, se tabell 8.
Temperaturförändringen i zon tre är den lägsta, ca en tredjedel av zon ett eller två. Det beror på
mängden tillförd energi från gasolen är en tredjedel lägre i zon tre. Recirkulationsflödet i zon tre,
diskuterat ovan är dubbelt så stort som för de andra zonerna. Rimligtvis, jämfört med energin och
mängden fukt som luften har tagit upp borde flödet vara två till tre gånger så stort, vilket det är enligt
tabell 7. Därför antas de beräknade värdena vara rimliga, men det bör nämnas att det ändå kan ha
erhållits för lite information från företaget för att lösa problemet. Exempelvis hur mycket fukt gipset
släpper ifrån sig, då torkningsprocessen för gips inte är linjär. I figur 14 kan det ses att gipset torkar
(ger ifrån sig vatten) som mest i början av torksprocessen, det betyder att i zon tre måste större
luftflöde tillföras för att inte bandhastigheten ska saktas ner för mycket.
37
Figur 14. Gipsets torkhastighet i industinU
Byte av eldningspanna
Investeringsförslagen för byte av bränsle till flis eller pulver visar båda ett positivt resultat. Analysen
över byte till flis ger en återbetalningstid på 4 år, vilket är en rimlig tid. En känslighetsanalys visar att
investering dessutom är okänslig för prisförändring av råvarukostnaden för flis. Därför bör en
ångpanna införskaffas. Analysen över byte till träpulver ger en återbetalningstid på drygt 5 år. En
känslighetsanalys visar att investeringen i princip även den är okänslig för prisförändring av
råvarukostnaden för träpulver. Dock är det mer lönsamt att elda med flis och träpulver bör därför
förkastas.
Det finns många felkällor. Bland annat ger ångpannan värdefulla rökgaser som kan utnyttjas genom t
ex. värmeväxling. Denna värme har inte tagits med i beräkningarna. Även luftflödena i torken kan
vara felaktiga. Då luftflödena i torken inte kunde uppmätas experimentellt har dessa beräknats baserat
på att luftflödet in i fabriken är 10 % större än vad som krävs för fullständig förbränning av bränslet.
Det är inte säkert att det stämmer överens med verkligheten. En förändring av dessa luftflödens storlek
påverkar den ekonomiska analysen väldigt mycket. Ett större luftflöde ger ett större bränsleflöde.
Eftersom att utgifterna för gasol är beräknade med de verkliga luftflödena och utgifterna för flis och
träpulver är beräknade med de teoretiskt uträknade flödena ger detta något missvisande resultat. För att
göra investering ännu mer lönsam kan beräkningar utföras på hela Knauf Danogips process. Gasol
används idag till mycket mer än bara torken på Knauf Danogips i Åhus. Ju mer energi som förbrukas,
desto mer lönsam är investeringen, därför bör förslaget vidare undersökas. De beräknade flis- och
träpulverflöden är lite för låga, det kan bero bland annat den antagna rökgastemperaturen.
Miljömässigt sett är trädbränslena ett bättre alternativ än gasol då de är koldioxidneutrala, vilket kan
påverka företagets utgifter för utsläpp. År 2011 var energi- och miljöskatten för gasol 9,9 öre/kWh.
För torv med fukthalt 45% var skatten 1,8 öre/kWh.CC s.22 tabell 4 Att torven är så billig beror på att skatt
endast behövs betalas för svavelutsläpp och ej för koldioxidutsläpp och energi. Räknat med en
förbrukning på 75 GWh motsvarar det 7,4 miljoner kronor i skatt per år vid eldning av gasol och 1,35
miljoner kronor i skatt per år för flis. Företaget sparar alltså ungefär 6 miljoner kronor per år på energioch miljöskatter vid byte till flis.
Pinchen över ångpannan figur 13 visar att det inte finns något kylbehov, det betyder att värmeväxlarna
är placerade på det mest energigynnsamma positionen i processen. Som diskuterades ovan betyder det
nödvändigtvis inte att det är den mest ekonomiskt lagda, då en ångpanna för så litet energibehov inte
är gynnsamt.
38
Referenser
A.
B.
C.
D.
http://www.knaufdanogips.se/ (2013-05-07)
http://www.lafargeprestia.com/caso4___h2o.html (2013-05-07)
Joseph E. Conroy et al(1964), Apparatus for continuous calcination of gypsum, US3307915
Francis J. O'Connor(1978), Continuous gypsum calcination process and kettle therefor, US
4113836 A
E. Näsman, Lisa. Drying of plasterboard – a Material with two Resistances in series. 1991, Lund
institute of Technology, Department of Chemical Engineering
F. Stenström, Stig. Drying – Principles and process applications. Lund institute of Technology,
Department of Chemical Engineering
G. Knauf Danogips – information given vid besök
H. http://www.thermopedia.com/content/5482/ProIF3.gif (2013-02-01)
I. Stenström, Stig, Wimmerstedt Roland. Pinch Analysis. Lund institute of Technology,
Department of Chemical Engineering
J. Kemp C, Ian. Fundamentals of Energy Analysis of Dryers, I Modern Drying Technology Volume
4: Energy savings, First edition
K. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S036054421200552X (2013-02-01)
L. https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:W1Kobi6DNGcJ:www.sievert.se/upload/File/Gas
olinformation_SE.pdf+&hl=sv&gl=se&pid=bl&srcid=ADGEEShXU46JJqUfY5I4K5wishikmg2
NCIJpdgTT2LS-S-VwlfOyHj4NFg3-N8bg1HSih2IbDJNBOX9Xj03u7yANbLNG4gRf60Ez8En_qkB_eX83Tz1MQbjaaXb8FwIxBgFGRpQvENV&sig=AHIEtbRbcW94jzE1kpRv0iz27
ANL0cfc0Q (2013-02-25)
M. http://www.tradbransle.se/pdf/faktablad_flis.pdf (2013-03-04)
N. http://www.novator.se/bioenergy/facts/fuelinvest.pdf 2013-04-18 (2013-03-04)
O. http://webbshop.cm.se/System/DownloadResource.ashx?p=Energimyndigheten&rl=default:/Res
ources/Permanent/Static/cc3830514eea447b8a84c6e332752cc3/Tradbransle-och-torvpriserEN0307_SM1204_121203.pdf (2013-04-18)
P. http://www.forestfuels.co.uk/wood-chip (2013-04-18)
Q. http://www.afabinfo.com/pdf_doc/faktablad/Faktablad_Trapulver.pdf (2013-05-07)
R. http://hiq.linde-gas.com/international/web/lg/spg/like35lgspg.nsf/docbyalias/tools_gasconvert
(2013-05-07)
S. Karlsson, Hans T. Projekteringsmetodik, 1992, Lund institute of Technology, Department of
Chemical Engineering
T. Mörtstedt, Sten-Erik; Hellsten, Gunnar. Data och Diagram: Energi- och kemitekniska tabeller,
2010, ISBN 978-91-47-00805-6
U. Kuntze, Richard A. The Chemistry and Technology of Gypsum: A Symposium, 1984, ISBNEB: 978-0-8031-4918-2
V. Karlsson, Hans T. Projekteringshandboken, 2013, Lund institute of Technology, Department of
Chemical Engineering
W. http://webbshop.cm.se/System/DownloadResource.ashx?p=Energimyndigheten&rl=default:/Res
ources/Permanent/Static/cc3830514eea447b8a84c6e332752cc3/Tradbransle-och-torvpriserEN0307_SM1204_121203.pdf (2013-04-04)
X. http://www.engineeringtoolbox.com/overall-heat-transfer-coefficient-d_434.html (2013-04-15)
Y. http://www.mckenziecorp.com/boiler_feedwater.htm (2013-04-10)
Z. http://www.viflow.se/311-page-tubvaermevaexlare.aspx (2013-04-25)
AA.
http://books.google.se/books?id=IMUswJtXyukC&pg=PT173&lpg=PT173&dq=wood
+chips+steam+boiler+cost+database&source=bl&ots=HCSgkg6q0N&sig=_7z4THuJoWgbT9uS
U64HYAqYsbE&hl=sv&sa=X&ei=1k9dUdfJsOntAbUhICQAQ&ved=0CDQQ6AEwADgK#v=onepage&q&f=false (2013-05-11)
BB.http://www.biogasportalen.se/FranRavaraTillAnvandning/VadArBiogas/Energiinnehall (201305-15)
39
CC.http://www.energimyndigheten.se/Global/Statistik/Energil%C3%A4get/Energil%C3%A4get%2
02011.pdf (2013-05-15)
Appendix 1
Pinch original
Ström
Massflöde
̇ ( ⁄ )
Fukthalt
̇ ( ⁄ )
Temp (℃)
231,7
218,9
141
124
119
114
80
78
8
T
T1
T2
T2
T3
T3
T4
T4
T5
T5
T6
T6
T7
T7
T8
T8
T9
℃
231,7
218,9
218,9
141
141
124
124
119
119
114
114
80
80
78
78
8
K1
K2
K3
K4
0,607
19,62
22,64
38,18
3,21
0,092
0,092
0,092
0,277
0,32
0,115
0,277
324,52
382,48
875,5
867,63
814
75
494,65
494,6
397,63
377,38
371,2
365,12
324,5
259,5
8,04
−
-5753,19
−
−
-543,76
−
9,45
−
−
-1657,33
−
2163,67
−
−
−
− −
∆
T
T1
T2
0
-534,84
T3
-6288,03
T4
-6831,79
T5
-6847,86
T6
-6838,41
T7
-8495,74
T8
-6332,07
T9
-7138,75
-16,07
−
−
⁄
−
)
1184,39
1161,74
1028,39
365,12
324,5
259,5
8,04
−
−
(
1035,93
909,43
884,4
( ⁄ )
-534,84
−
−
V1
1,416
494,6
397,63
377,38
371,2
365,12
324,5
259,5
8,04
−
−
−
K6
1,185
Entalpi
−
K5
-806,68
40
∆
8495,74
7960,9
2207,7
1664,96
1647,9
1657,3
0
2163,7
1357
Pinch efter nuvarande värmeväxlare
Ström
Massflöde
̇ ( ⁄ )
Fukthalt
̇ ( ⁄ )
Temp (℃)
231,7
218,9
141
124
119
114
88
80
8
T
T1
T2
T2
T3
T3
T4
T4
T5
T5
T6
T6
T7
T7
T8
T8
T9
℃
231,7
218,9
218,9
141
141
124
124
119
119
114
114
88
88
80
80
8
K1
K2
K3
K4
0,607
19,62
22,64
38,18
3,21
0,092
0,092
0,092
0,277
0,32
0,115
0,277
494,65
494,60
397,63
377,38
371,20
365,12
334,00
324,50
8,04
( ⁄ )
-534,84
−
−
−
-5753,19
−
−
-543,76
−
−
−
V1
1,416
494,60
397,63
377,38
371,2
365,12
334,00
324,50
8,04
−
−
−
K6
1,185
Entalpi
−
K5
−
−
−
−
−
− −
−
−
− −
−
(
1035,93
909,43
884,40
⁄
)
1184,39
1161,74
1028,39
365,12
334,00
324,50
8,040
427,75
395,31
385,51
∆
T
T1
T2
0
-534,84
T3
-6288,03
T4
-6831,79
T5
-6847,86
T6
-6838,41
T7
-8044,51
T8
-8449,15
T9
-9464,35
-16,07
9,45
-1206,10
-404,64
-1015,20
41
∆
9464,35
8929,51
3176,31
2624,57
2607,51
2625,94
1190,05
785,41
0
875,50
867,63
826,40
Appendix 2
Pinch med uppvärmning av en 2MW vattenström
Ström
K1
K2
K3
K4
K5
K6
K7
V1
V2
Massflöde
1,185
1,416
0,607
19,62
22,64
38,18
3,21
3,21
̇ ( ⁄ )
Fukthalt
0,092
0,092
0,092
0,277
0,32
0,115
0,277 0,277
( ⁄ )
Temp (℃)
Entalpi, H kJ/kg
231,7
494,65
1184,39
218,9
494,6
494,6
1035,93 1161,74
141
397,63
397,63
909,43 1028,39
124
377,38
377,38
884,4
119
371,2
371,2
875,5
114
365,12
365,12 365,12
324,52
867,63
80
324,5
324,5
324,5
382,48
814
73
316,2
316,2
316,2
804,02
65,5
307,4
307,4
307,4
792,5
2000 kW
58
298,5
298,5
298,5
781,1
52
291,43
291,43 291,43
771,94
8
8,04
8,04
8,04
T
T1
T2
T2
T3
T3
T4
T4
T5
T5
T6
T6
T7
T7
T8
T8
T9
T9
T10
T10
T11
T11
T12
℃
231,7
218,9
218,9
141
141
124
124
119
119
114
114
80
80
73
73
65,5
65,5
58
58
52
52
8
(
∆
12,8
78,8
17
−
−
−
12,5
17
−
-534.83
−
−
−
−
−
42,4
−
−
−
40,78
−
−
−
−
T2
-534.83
10800,42
T3
-6288,02
5047,2
T4
-6831,78
4503,5
T5
-6847,85
4487,4
T6
-6842,09
4493,2
T7
-8524,07
2811,2
T8
-8481,67
2853,6
T9
-8440,89
2894,4
T10
-10432,85
902,41
T11
-10426,13
909,13
T12
-11335,26
0
-1681,98
−
−
∆
11335,26
5,76
−
−
0
-5753,19
−
−
∆
-16,07
−
−
T
T1
-543,76
−
−
7
33
−
−
5
8,5
−
−
5
34
−
⁄ )
−
−
−
-1991,96
6,72
-909,12
42
Appendix 3
Checklista för poster inom driftskostnader
BUNDET KAPITAL
Lagerhållning av råvaror
Lagerhållning av produkter
Reservdelar
DIREKT RÖRLIGA KOSTNADER
Råvaror
Biprodukter; intäkt eller kostnad
Hjälpkemikalier, lösningsmedel etc.
Katalysator
El, vatten ånga etc.
Deponering av avfall
Underhåll och reparationer
Driftspersonal
Driftledning
Laboratoriearbete
Licensutgifter
Ränta för mark
INDIREKTA RÖRLIGA KOSTNADER
Overhead för personal
Administration
Distribution och försäljning
Forskning och utveckling
43
Appendix 4
Torkprocessen
Figur 6. Flödesschema över torken
44
Appendix 5
Flödesschema över ångpannan
Figur 16. Flödesschema över ångpannan
45
Appendix 6
Tabeller för pinchanalys över ångpannan
Tabell 21. Listar egenskaperna hos systemets strömmar inför pinchanalys på ångpanna.
̇
⁄ )
Strömmar
(
Ti
(
⁄
∗ ℃)
(
⁄ ∗ ℃) (℃)
Kalla
K1
19,62
1,01
19,8
94
K2
22,64
1,01
22,9
94
(℃)
(℃)
(℃)
94
219
219
94
232
K3
38,18
1,01
38,6
232
94
94
114
Varma
V1
1,94
1,96
3,80
243
V2
2,11
1,96
4,14
243
114
233
100
0,87
1,96
1,71
T1
T5
T1
T5
T1
T5
100
233
100
V3
T6
T3
T6
T2
T6
T4
100
243
233
100
100
Tabell 102. Visar mellanstegen och slutresultatet för pinchanalys på ångpanna.
Ti
(℃)
T1
T2
T2
T3
T3
T4
T4
T5
T5
T6
233
232
232
219
219
114
114
100
100
94
∆
(℃)
∗∆
(
+
1
13
105
14
6
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
+
+
−
+
−
⁄ ℃)
9,65
(
-13,22
⁄ )
10
T ∆
(℃) (
∆
)
,
(
)
T1
T2
0
9,64
5121
5131
T3
-162
4959
T4
3631
4634
5121
1490
-166
-33,04
-3407
-71,60
-1832
-81,24
-843
T5
T6
46
487
0