Puristinhuovan viimeistyskoneen energiatehokkuus: Energiankäyttö ja energiatehokkuuden parantamisen arviointi

Abstract

Teollisuus vastaa suuresta osasta kaikkea loppuenergiankäyttöä. Merkittävä osa tästä vapautuu kuitenkin hukkalämpönä ympäristöön. Ilmastonmuutoksen hillitsemiseen tähtäävissä toimissa hukkalämmön määrää on vähennettävä sitä hyödyntämällä ja energiatehokkuutta parantamalla. Tämän työn tarkoituksena on kartoittaa Valmet Technologies Oy:n puristinhuopatuotannon viimeistyskoneen energiatehokkuuden parantamismahdollisuuksia. Taustalla on Valmetin tälle vuosikymmenelle asettama tavoite päästöjen vähentämisestä omissa toiminnoissaan. Viimeistyskoneen energiatehokkuuden parantamista arvioitiin mittaustutkimukseen perustuen. Mittauksia suoritettiin viimeistysprosessin osaprosesseista, joita ovat kuumatelojen lämmitys ja jäähdytys, prosessivettä käyttävä pesujärjestelmä sekä prosessi-ilmanvaihto. Lisäksi mitattiin koneen sähkönkulutusta. Mittaustulosten avulla muodostettiin viimeistyskoneelle energiataseprofiili ominaisenergiankulutuksen muodossa. Koneen toimintaan perehtymisen ja mittausdatan avulla luokiteltiin viimeistysprosessiin liittyvät energiavirrat alan kirjallisuudesta löytyvää menetelmää hyödyntäen ja arvioitiin mahdollisuuksia hukkalämmön talteenottoon sekä osaprosessien optimointiin. Arviossa painotettiin energiavirtojen termodynaamisia ominaisuuksia sekä lämmönlähteiden aikaprofiileja. Viimeistyskoneen energiavirrat luokitellaan prosessilämpöön, sekundäärivirtoihin ja poistovirtoihin eli hukkalämpöön. Prosessilämpö on pohjimmiltaan sekundäärienergiaa. Jäähdytysvedet luokitellaan sekundäärivirraksi, ja hukkalämpöä ovat prosessi-ilmanvaihdon poistoilmavirrat sekä pesujärjestelmän imuvirta. Prosessi-ilmanvaihdon huuvan poistoilmaa lukuunottamatta kaikille energiavirroille on ominaista prosessin mukainen jaksollisuus. Prosessilämmön tarve yhtä huopatonnia kohti on 2,1 MWh, josta suurin osa on kuumatelojen lämmityksen vaatimaa lämpöenergiaa. Lämpötilaltaan virtaukset ovat matalan ja keskilämpötilan virtauksia. Potentiaalisimmaksi lämmöntalteenottokohteeksi osoittautui huuvan poistoilma. Jatkuvan toiminnan ja lämpönielun olemassaolon perusteella tätä on syytä selvittää tarkemmin. Varsinkin kustannukset ja asennettava järjestelmä vaativat lisäselvitystä. Tuloilman lämmitykseen soveltuvia lämmöntalteenottojärjestelmiä ovat nestekiertoinen lämmönsiirtopiiri, suora lämmönsiirto lämmönvaihtimella tai lämpöpumppu. Lämmöntalteenoton arvioitu laskennallinen tehopotentiaali on 200 kW ja sen avulla voidaan vähentää primäärienergian käyttöä. Poistoilman likaisuus rajoittaa hieman lämmön hyödyntämistä ja vaatii ilman suodatuksen tai lämmönvaihtimien säännöllisen puhdistuksen. Lämpöpumppu tarjoaa suuremman potentiaalin vuoden ajanjaksolla monipuolisuutensa ansiosta, mutta on huomattavasti kalliimpi kuin nestekiertoinen järjestelmä. Lämmöntalteenoton lisäksi energiatehokkuuteen voidaan vaikuttaa kytkentämuutoksilla ja reseptiohjausta päivittämällä. Jäähdytysvesien käyttöä voidaan tehostaa asetusarvon muutoksella tai uudelleenkierrätyksellä. Reseptiohjauksella prosessi-ilmanvaihdon toimintaa voidaan optimoida turhaa käyntiä vähentämällä. Samalla tuloilman lämmitystarve pienenee lämmityskaudella. Kokonaisuudessaan tutkimuksen pohjalta voidaan toteuttaa energiatehokkuutta parantavia toimenpiteitä ja lähteä selvittämään tarkemmin lämmöntalteenottojärjestelmän ominaisuuksia ja kustannusarviota.

The industrial sector accounts for a significant share of total end-use of energy. However, a considerable portion of this energy is lost as waste heat to the environment. To mitigate climate change, it is essential to reduce waste heat through recovery and by improving the energy effi-ciency of industrial processes. This study investigates opportunities to improve the energy efficiency of a press felt finishing machine at Valmet Technologies Oy. It is driven by Valmet’s climate goals to reduce emissions from its operations during this decade. The energy efficiency of the finishing machine was eval-uated through a measurement study. Measurements were carried out on the machine’s key subprocesses which include the heating and cooling of hot rolls, the finishing system which uses process water and process ventilation. Electricity consumption was also measured. Based on the measurement data, an energy balance was created for the machine in terms of specific en-ergy consumption. Using the measurement data and by familiarizing with the machine’s opera-tion, the energy flows related to the process were classified using a method found in the field’s literature. Then the possibilities for waste heat recovery and optimization of subprocesses were evaluated. The analysis highlighted the thermodynamic properties of the energy flows and time profiles of heat sources. The energy flows are categorized into process heat, secondary flows and exhaust flows. The process heat is essentially secondary energy. Cooling waters are classified as secondary flows while waste heat sources include the exhaust air of the process ventilation and the suction flow of the finishing system. Process heat consumption for one ton of press felt produced is 2.1 MWh which is primarily the heat energy required to heat the hot rolls. Except for the exhaust air of the process ventilation hood, all energy flows are characterized by the periodicity of the pro-cess. The temperature levels of these flows range from low to medium. The most potential area of waste heat recovery was found to be the exhaust air of the hood. Due to its continuous flow and the availability of a heat sink, this should be further investigated especially in terms of the installed system and costs. Suitable recovery systems for preheating the supply air of the property include a run-around system, direct heat transfer or a heat pump. The estimated heat recovery potential is 200 kW, which could significantly reduce primary ener-gy consumption. The impurity of the exhaust air slightly limits the heat recovery potential and requires air filtration and regular cleaning. A heat pump offers greater annual heat recovery po-tential due to its versatility but is significantly more expensive than a run-around system. In addition to heat recovery, energy efficiency can be improved through system modifica-tions and recipe-based control. The use of cooling water can be optimized by changing the set-point of water temperature or by implementing water recirculation. Altered recipe control can optimize the use of process ventilation fans, reducing unnecessary usage and lowering heating demand of supply air. Based on this study, measures can be taken to improve the energy effi-ciency of the finishing machine and to further assess the economic feasibility of heat recovery.