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