Pelletsproduktion integrerat med ett värmekraftverk

Transkript

1 Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Miljö- och energisystem Tove Jensen Pelletsproduktion integrerat med ett värmekraftverk Ekonomisk och teknisk utvärdering Production of Pellets Integrated with a Thermal Power Station Economic and Technical Evaluation Examensarbete 30 hp Civilingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik Juni 2014 Handledare: Jonas Berghel Examinator: Roger Renström Karlstads universitet Karlstad Tfn Fax Information@kau.se

2 Sammanfattning Under de senaste årtiondena har efterfrågan av pellets ökat. Produktion av pellets är en energikrävande process där torkning av sågspån är den del som kräver mest energi. Därför behövs, av ekonomiska och miljömässiga skäl, att energieffektiva lösningar skapas. I denna rapport studeras en möjlig effektiviserad energianvändning genom att ett befintligt värmekraftverk integreras med en anläggning för produktion av pellets. Värme till torkningen av sågspån tas i form av ånga och rökgaser ifrån Åmotfors energis värmekraftverk. Fyra olika torktekniker av sågspån studeras där antingen luft eller ånga används som torkmedium. Två av de studerade fallen är ångtorkar, den ena använder värme i form av ånga vid 24 bars övertryck och den andra använder ånga vid 6 bars övertryck. Den tork som använder luft som torkmedium är en bäddtork. Ånga vid atmosfärstryck och rökgaser används för att värma upp uteluft till torken. Den fjärde torken är anpassad för att ge hög pelletsproduktion samtidigt som den är anpassad till de befintliga ångflöden som finns i värmekraftverket. Den använder både en bäddtork och en ångtork till torkning av sågspån. Målet med rapporten är att öka förståelsen kring tekniska begränsningar och möjligheter för olika torktekniker samt att avgöra vilken av de fyra studerade torktekniksfallen som är lämpligast vid en integrering. Resultaten tas fram med hänsyn till fyra faktorer: pelletsproduktion, elproduktion, integrering och dimensionering av tork samt ekonomi. Där tyngdpunkten ligger på pelletsproduktionen i form av mängd tillverkad pellets per år och elproduktion i form av förändrad elproduktion per år efter integreringen. Dimensionering av tork används för att visa på vilka integreringar som kräver störst värmeväxlingsyta samt används till resultat och diskussion för ekonomi. Den ekonomiska utvärderingen avser att ge en fingervisning på vilken integrering som får högst/lägst investeringskostnad samt vilken som får kortast/längst återbetalningstid. Resultaten visar på att ångtorken med 24 bars värmeånga gav den högsta pelletsproduktionen på nästan ton/år, den kombinerade bädd och ångtorken fick näst högst pelletsproduktion på drygt ton/år. Lägst pelletsproduktion fick bäddtorken. Alla integreringar med en ångtork gav en minskad elproduktion, medan fallet med en bäddtork gav en ökad elproduktion. Störst minskning i elproduktion gav ångtorken med värmeånga på 24 bar. Ekonomiskt var bäddtorken den integrering som hade lägst investeringskostnad men näst högst återbetalningstid på 5,7 år. Ångtorken med värmeånga på 24 bar hade den högsta investeringskostnaden men kortast återbetalningstid på 3,7 år. Beräkningarna på pelletsproduktionen visar på stora skillnader beroende på ifall det är en ångtork eller bäddtork som integreras. Ångtorkarna ger en hög pelletsproduktion och två av fallen ger en pelletsproduktion som skulle vara den högsta i Sverige. För elproduktionen blir resultaten de motsatta där ångtorkarna ger en minskad elproduktion och bäddtorken en ökad. Ångtorken med 6 bars övertryck och den kombinerade ång- och bäddtorken får den största minskningen i elproduktion då elproduktionen från lågtrycksturbinen helt försvinner. Beräkningar på torkarnas värmeväxlingsytor gav ett underlag för vidare beräkningar och diskussion kring ekonomi men än viktigare gav det en fördjupad förståelse i torkarnas uppbyggnad och teknik. De ekonomiska beräkningarna tar inte hänsyn till vissa faktorer så som ombyggnationer i det befintliga värmekraftverket samt kostnader för lager och värmeväxlare. Dessa faktorer tillsammans med att ekonomiekvationerna på ångtorkarna inte är helt anpassade till denna rapport gör att de är skapade för att användas som fingervisningar på ungefärliga skillnader i kostnader. Beroende på vilket faktor (pelletsproduktion, elproduktion, integrering eller ekonomi) i

3 som anses vara viktigast blir valet av fall olika. Ifall en hög pelletsproduktion anses vara av störst värde skall ångtorken med 24 bar övertryck eller den kombinerade bädd och ångtorken väljas. Om däremot elproduktionen värderas högst bör bäddtorken väljas, den är även det fall som kräver minst ombyggnationer av det befintliga värmekraftverket vid en integrering. Ekonomiskt så har bäddtorken den lägsta investeringskostnaden medan de två fall med högst pelletsproduktion ger den kortaste återbetalningstiden. ii

4 Abstract During the recent decades the demand of pellets has increased. Production of pellets is an energy intensive process where drying of sawdust is the part that requires the most energy. In production of pellets energyefficient solutions needs to be created to achieve better environmental and economical results. This report studies a possible energy efficient solution of integration between an existing thermal power plant and a pellets production unit. Heat for the dryers is extracted from Åmotfors energi s thermal power plant in the form of steam and flue gas. Four different drying techniques are studied where either air or steam are used as a drying medium. Two of the cases are steam dryers where one uses heat from steam at 24 bar overpressure and the other uses heat from steam at 6 bar overpressure. The dryer using air as the drying medium is a conveyor dryer where steam at atmospheric pressure, and flue gases is used to heat air for the dryer. The fourth dryer is designed to provide a high production of pellets while being adapted to the existing flows of steam in the power plant. It uses both a conveyor dryer and a steam dryer for drying sawdust. The objective of this report is to improve the understanding of technical limitations and possibilities for different drying techniques as well as to determine which of the four studied drying techniques is most suitable for an integration. The results are evaluated with respect to four factors: pellet production, power generation, integration and dimension of the dryers and economy. The focus is on pellets output in terms of quantity produced pellets per year and changes in the electricity generation. Design of drying is used to indicate those integrations that require the greatest heat exchange surface and is used for results and discussion for economics. Economy is calculated as an indicator on which integration that gets the highest/lowest investment cost and which one gets longest/shortest payback time. The results show that the steam dryer with 24 bar steam provided the highest pellet production of over tonnes / year, the combined conveyer and steam dryer got the second highest pellet production of almost tonnes / year. The conveyor dryer got the lowest production of pellets. All integrations with a steam dryer resulted in a reduced total production of electricity per year, while the case with an conveyor dryer increased the electricity production. The steam dryer with steam at 24 bar gave the greatest reduction in electricity production. Conveyor dryer was the integration that gave the lowest investment cost but the second highest payback time of 5.7 years. The steam dryer with steam at 24 bar had the highest investment cost but the shortest payback time of 3.7 years. The calculations of pellet production show large differences depending on whether it is a steam dryer or conveyor dryer that is integrated. Steam dryers provide a high pellet production and two of them provide a pellet production which would be the highest in Sweden. For electricity generation, the results are the opposite where steam dryers provide a reduction in electricity and for conveyor dryer it increased. The steam dryer with steam at 6 bars and the combined steam- and conveyor dryer shows the greatest reduction in electricity production because electricity generation from the low pressure turbine ceases. Calculations on the dryer's heat exchanging surface provided a basis for further calculations and discussion about the economy but more importantly it gave a deeper understanding of the design and technology behind the dryers. The financial calculations do not take into account certain factors such as the rebuilding of the existing thermal power plant and the cost of storage warehouse and heat exchangers. These factors, as well as the equations of steam dryers investment cost are not perfectly suited to this report makes the financial result more of an indicator of the cost differences iii

5 between the dryers. Depending on which of the factors is considering to be most important, pellets production, power generation, integration or economic, the choice of which integration will be most preferable differs. If a high pellet production is considered to be of greatest value, the steam dryer with steam at 24 bars or the combined conveyor and the steam dryer should be selected. However, if the electricity is valued to be more important the conveyor dryer should be selected, it is also the case that requires a minimum of rebuilding of the existing thermal power plant. Economically the conveyor dryer has the lowest investment cost while the two cases with a maximum pellet production provides the shortest payback time. iv

6 Förord Denna rapport är ett examensarbete på 30 högskolepoäng som utförts vid Karlstad Universitet. Examensarbetet har pågått i 20 veckor och är den avslutande delen av civilingenjörsutbildningen inom energi- och miljöteknik. Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Därefter har arbetet diskuterats i ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete. Jag vill tacka min handledare Jonas Berghel, för stöd och värdefulla kommentarer under arbetet. Jag vill även tacka Alina Hagelqvist som varit min handledare på COWI för många intressanta och hjälpsamma diskussioner. Hela COWIs Karlstad kontor ska ha ett extra tack för all hjälp och det välkomnande bemötandet som jag fått. Slutligen vill jag även tacka Pär Höglund på Åmotfors energi för rundturen och all indata ifrån värmekraftverket. v

7 Nomenklatur A Värden till investeringskalkyl framtagna i Rodin et al. (2012) - A Tork Totala arean på bäddtorken m 2 A tub Mantelarean på en tub i en värmeväxlare m 2 B Värden till investeringskalkyl framtagna i rapporten - Cp l Specifika värmekapaciteten på luft till bäddtork J/kg K Cp såg Specifika värmekapaciteten på sågspån J/kg K Cp v,kond Specifika värmekapaciteten på ångkondensatet J/kg K Cp vatten Specifika värmekapaciteten på vattnet i sågspånet J/kg K Cp v,å Specifika värmekapaciteten på vattenångan i luft J/kg K Cp å Specifika värmekapaciteten på överhettad ånga J/kg K D t Drifttimar på ett år timmar/år D tub Diametern på en tub i ångtorken m Δh Entalpiförändring på luften J/kg E pellets Energiinnehåll pellets Wh/ton E såg Energiinnehåll blött sågspån Wh/ton F in Fukthalt på sågspån in i torken % F pellets Försäljningspriset på pellets kr/mwh F ut Fukthalt på sågspån ut ur torken % G Gasmängd per bäddarea kg/s m 2 H lv Ångbildningsvärmet vid förångning J/kg h fg Förångningsentalpin på vattnet i sågspånet J/kg Kondenseringsentalpin J/kg h luft Entalpin på luften in i bäddtorken J/kg h in Värmeöverföringskoefficienten på insidan av tuben W/m 2 K h ut Värmeöverföringskoefficienten på utsidan av tuben W/m 2 K I Bäddtork Investeringskostnad bäddtork MSEK I Pellets Investeringskostnad pelletsanläggning MSEK I Ångtork Investeringskostnad ångtork MSEK K el Kostnad för inköp av el kr/mwh vi

8 K såg Kostnad för inköp av blött sågspån kr/mwh L tub Tublängd i en värmeväxlingsyta i ångtorken m Massflödet på det avdunstade vattnet ifrån sågspånet Massflöde på luften i bäddtorken Massflöde torrsubstans sågspån Massflöde vatten kvar i sågspånet Massflödet på värmeånga/kondensat i ångtork Kondenseringseffekten Effekt som torken använder Effekten till en tub i en värmeväxlare Effekten för uppvärmning av det blöta sågspånet kg/s kg/s kg/s kg/s kg/s W W W W R tot Totala konvektiva värmegenomgångskoefficienten C/W S Samband mängd torrsubstans/ bärånga kg TS/kg ånga T b,sat Förångningstemperatur på bärångan C T k,v Temperaturen på värmeångans kondensat C T luft,in Temperatur på luften in i torken C T såg,in Temperaturen på sågspånet in i torken C T v,sat Förångningstemperaturen på värmeångan C T värmeånga Temperatur på värmeångan C Ts Torrhalt av sågspån % v bärånga Hastigheten på bärångan m/s ρ bärånga Densitet bärånga kg/m 3 x Mängd vatten per kg luft kg vatten /kg luft η tork Torkens verkningsgrad % vii

9 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 Introduktion Biobränslen/Pellets Elproduktion Sverige Kraftvärmeverk integrerat med produktion av biomassa Åmotfors Energi Syfte och mål Torkning av biomassa Torktekniker Metod Åmotfors energi Val av fall Avgränsningar och antaganden Pelletsproduktion Elproduktion Integrering av tork Dimensionering av tork Ekonomi Känslighets analys Tabell med indata Resultat Pelletsproduktion Elproduktion Integrering av tork Dimensionering av tork Ekonomi Känslighetsanalys Diskussion Pelletsproduktion Elproduktion Integrering av tork Dimensionering av tork Ekonomi Känslighetsanalys viii

10 5.7 Framtida studier Slutord Referenser ix

11 1 INTRODUKTION Sedan förindustriell tid har utsläppen av fossila växthusgaser ökat med en ökad medeltemperatur som följd (IPCC 2013). En allt högre medeltemperatur ger extremare väder, torra områden blir ännu torrare och områden med mycket nederbörd får än mer nederbörd. Även fler och kraftigare stormar och cykloner kan väntas. Snö och is som smälter från Arktis, glaciärer och berg bidrar till ökade havsnivåer. Det är därför viktigt att bli oberoende av energi från fossila bränslen (Bernes 2007). För att lyckas med detta har globala överenskommelser slutits där Kyoto protokollet är det mest kända. För att Kyoto protokollet skulle träda i kraft krävdes det att minst 55 länder som tillsammans stod för 55 % av världens utsläpp skulle sänka sina utsläpp med minst 5,2 procent från år 1990s nivåer till senast EU-länderna kom att betraktas som en enhet inom avtalet och skulle ha sänkt sina utsläpp med 8 %. Varje land i EU fick olika kvoter på hur mycket varje land behövde sänka sina utsläpp. För Sveriges del blev denna kvot att det fick ske en total ökning av växthusgaser med 4 %. Sverige satte dock egna mål med att minska utsläppen från växthusgaser med 4 % (Gröndahl & Svanström 2011). Utöver det har Sverige satt nationella mål där minskad klimatpåverkan ingår som ett av de Svenska miljökvalitetsmålen och beskrivs på flöjande vis i Gröndahl & Svanström (2011): Begränsad klimatpåverkan: Halten av växthusgaser i atmosfären ska i enlighet med FN:s ramkonvention för klimatförändringar stabiliseras på en nivå som innebär att människans påverkan av klimatsystemet inte blir farligt För att uppnå dessa mål måste stora förändringar ske både sett till energiproduktion och energiförbrukning. Forskningsområden som prioriteras i dagsläget för att skapa ett koldioxidneutralt och hållbart samhälle är enligt Energimyndigheten (2012): Fossiloberoende fordonsflotta Kraftsystem som klarar förnybar elproduktion Energieffektivisering i bebyggelse Ökad användning av bioenergi Energieffektivisering i industri Redan i dagsläget har Sverige utfört många förbättringar. Behovet av fossila bränslen har till stora delar ersatts av biobränslen inom fjärrvärmeproduktion samtidigt som kraftvärmen har byggts ut. Trots detta är det fortfarande viktigt att Sverige fortsätter med att utveckla produktion av el ifrån förnyelsebara energikällor, öka användningen och produktionen av bioenergi samt hitta energieffektiva lösningar inom industri och bostadssektorn (Energimyndigheten 2012). En energieffektivisering kan vara att nyttja mer energi från samma mängd bränsle. Ofta görs detta genom integreringar där det kan produceras en extra produkt av överflödig värme ifrån en redan befintlig process (Energimyndigheten 2012). Ett sådant exempel är kraftvärme där elproduktionen är huvudprodukten och värme en biprodukt. Samma mängd bränsle krävs för att producera elen men utöver det tas spillvärmen till vara och kan användas till uppvärmning i form av fjärrvärme, och fler MWh energi kan skapas. 1

12 Ton I denna rapport studeras en tänkbar energieffektivisering genom att integrera ett befintligt värmekraftverk med produktion av ett biobränsle, pellets. 1.1 BIOBRÄNSLEN/PELLETS Biobränslen är material som har biologiskt ursprung, vid förbränning av ett biobränsle så släpps det ut koldioxid som är med i kolets kretslopp och vid en lika stor tillväxt av nytt biomaterial som förbränning förblir koldioxidhalten i atmosfären densamma. Detta kan jämföras med fossila bränslen som även de har biologiskt ursprung men dessa växter och djur levde för miljontals år sedan vilket gör att vid förbränning av fossila bränslen frigörs koldioxid som sedan länge varit utanför koletskretslopp och halten av koldioxid i atmosfären ökar (ÅF Energi & Miljöfakta 2013) Till biobränslen räknas (i Sverige) trädbränslen, energiskog, energigrödor, returlutar, tallolja, torv och avfall. Avfall kan användas antingen som bränsle eller biogas. Avfall består mestadels av biomaterial men även material som plaster finns med och kan släppa ut fossilt koldioxid. Genom sortering och rening av rökgaser har utsläppen av föroreningar minskat från förbränning av avfall (ÅF Energi & Miljöfakta 2013). Vissa biobränslen så som pellets, briketter och pulver är förädlade vilket innebär att de är förbehandlade för att få en bättre bränslekvalitet. Fördelar med förädlade biobränslen är att de kräver mindre lagringytor, får en jämnare förbränning samt lägre transportkostnader (ÅF Energi & Miljöfakta 2013). Oljekrisen på 70-talet ledde till att intresset för förnyelsebara energikällor ökade och i mitten av 80-talet skapades de första pelletsfabrikerna i Sverige. Sedan dess har pelletsproduktionen ökat, se figur 2. Pelletsmarknaden har under samma period ökat och trots att Sverige ligger i topp som pelletsproducent i världen så importeras årligen mer pellets än vad som exporteras, se figur Utveckling av pelletsmarknaden i Sverige Pellets till Svenska marknaden Producerad pellets i Sverige Pellets till villapannor Figur 1. Utveckling av Sveriges pelletsmarknad med avseende på användning, produktion och pellets till villor (Pelletsförbundet). I figur 2 syns en trend på uppgång av både pellets produktion och konsumtion i Sverige sedan 1997 (Pelletsförbundet). Pelletsförbundet hade 2011 mer än 80 medlemsföretag som producerade pellets. De två största pelletsfabrikerna i Sverige är SCA BioNorr AB 2

13 i Härnösand och Neova i Vaggaryd på en årlig produktion på respektive ton pellets (Bioenergi 2011). Europa är den kontinent som producerar mest pellets, näst högst pelletsproduktion har Nordamerika som under de senaste åren har byggt många nya pelletsanläggningar. Anledningen till Nordamerikas ökning i pelletsproduktion är ökad export till Europa samt fler nationella kraftverk som ersätter fossila bränslen med pellets (Spelter & Toth 2009). Merparten av de svenska pelletsfabrikerna är inte integrerade med andra processer och köper in sågspån från externa sågverk och producerar egen energi till torkning. Detta kan jämföras med Italien där pelletsfabrikerna oftast är integrerade i sågverken (Sikkema et al. 2011). Under de senaste åren har forskningsområdet varit att hitta energismarta lösningar genom att integrera produktion av pellets i redan befintliga anläggningar så som sågverk och kraftvärmeverk (se avsnitt 1.3) (Wolf et al. 2006). Pellets är ett förädlat biobränsle som skapas av torkat sågspån som pressas samman till små stavar (6-12 mm i diameter och en längd på 4 till 5 gånger diametern) se figur 1. Sågspånet kommer framförallt ifrån gran och tall och tas ofta som en biprodukt från sågverk. Figur 2. Blött sågspån (till vänster), torkat sågspån (i mitten) och färdig pellets (till höger) (Ståhl 2008). Pelletsfabriker kan antingen vara helt självständiga eller integrerade med andra processer som sågverk, fjärrvärme eller kraftvärmeverk (Nohlgren et al. 2012; Ståhl 2008). Vid produktion av pellets förbehandlas först sågspånet i form av borttagande av grus och eventuella metaller samt torkning. Efter sågspånet är torkat så mals och formas sågspånet (pelleteras), slutligen kyls pelletsen och förpackas i säckar (Ståhl 2008). Till en pelletsanläggning krävs även lager där sågspån och pellets kan förvaras, ett lager för blött sågspån innan torkning, ett lager för torkat sågspån innan pelletering och ett lager till den färdiga pelletsen (Ståhl 2008). Den största kostnaden vid produktion av 3

14 pellets är torkningen som står för mellan % av de totala kostnaderna då pelletsfabriken inte är integrerad med en annan process (Thek & Obernberger 2004; Mani et al. 2006; Monteiro et al Fördelen med pellets är att det har en hög densitet vilket gör att det är lätt att transporter stora mängder. Pellets är det första biobränslet där det är ekonomiskt att transportera långa sträckor över haven (Selkimäki et al. 2010). 1.2 ELPRODUKTION SVERIGE Den svenska elmarknaden domineras av två energikällor, vattenkraft och kärnkraft, se figur 3 (Statistiska centralbyrån 2013). Elproduktion 2012 Värmekraft 10% Vindkraft 4% Kärnkraft 38% Vattenkraft 48% Figur 3. Svensk elproduktion 2012 (Statistiska centralbyrån 2013). Under senare år har intresset för förnyelsebara energikällor ökat och både vindkraften och biobränsleeldad värmekraft har byggt ut (Energimyndigheten 2013). Elproduktionen till värmekraftssektorn kommer framförallt från kraftvärme till industri och till fjärrvärmenätet och var 15,1 TWh år 2012 (Statistiska centralbyrån 2013). Sedan 1980-talet har det skett en stor bränsleförändring i värmekraftspannorna där oljeanvändningen har minskat och ersatts av framförallt biobränslen, torv och avfall (Energimyndigheten 2013). För kraftvärme inom fjärrvärmenätet är det behovet av fjärrvärme som avgör vilka drifttider och laster som kraftvärmepannan ska ha. Vilket innebär att under sommaren är oftast värmelasten till fjärrvärmenätet så lågt att pannan helt måste stängas av. Även under vår och höst påverkas värmelasten och kraftvärmepannan kan inte gå på 100 %. Detta gör att elproduktionen blir lägre än ifall värmelasten varit högre och mer jämn över ett år (Song et al. 2011; Kohl et al. 2013; Starfelt et al. 2012). 1.3 KRAFTVÄRMEVERK INTEGRERAT MED PRODUKTION AV BIOMASSA Integreringar mellan ett kraftvärmeverk och produktion av biobränsle är ett forskningsområde som har expanderat under de senaste åren. Det är framförallt inom etanolproduktion och pelletsproduktion som de flesta artiklarna har skrivits. Men även integreringar med syntetisk naturgas och pyrolysolja har studerats (Heyne et al. 2012; Difs et al. 2010; Gustavsson & Nilsson 2013). 4

15 I alla fallen med integrering av etanol, pyrolysolja och syntetisk naturgas har resultaten visat på en ökad total elproduktion efter integreringen (Starfelt et al. 2012; Starfelt et al. 2010; Djuric Ilic et al. 2012; Daianova et al. 2012; Heyne et al. 2012; Difs et al. 2010; Gustavsson & Nilsson 2013; Song et al. 2011). Artiklarna visar på att elproduktionens ökning framförallt beror av att anläggningen kan köras fler drifttimmar (Gustavsson & Nilsson 2013; Heyne et al. 2012; Starfelt et al. 2010; Starfelt et al. 2012). I Song et al. (2011) visas även att den extra elproduktionen som fås ger en minskning av koldioxidutsläpp med 0,4 miljoner ton årligen. Artiklar som studerat ett kraftvärmeverk integrerat med produktion av pellets visar inte lika enhetligt på att elproduktionen ökar efter integreringen. I artikeln Kohl et al. (2013) studeras tre olika fall av biomassaproduktion som integreras i ett kraftvärmeverk. De tre fallen är: pellets, torrifierad pellets (värmebehandling mellan C) och pyrolysiskt slam (torkning av biomassa i en syresfrimiljö vid atmosfärstryck och temperatur på cirka 500 C). Resultaten kring produktion av pellets från studien visar att drifttiden för kraftvärmeverket ökar mellan % under ett år, där det är en integrering med torrifierad pellets som gav flest drifttimmar. Produktionen av fjärrvärme ökar också för båda fallen då den kan levereras fler timmar per år. Vid produktion av el blir det dock en minskning med 3 och 7 % för pellets respektive torrifierad pellets. Anledningen till denna minskning är att produktionen av biomaterialen kräver el och även att en del av ångan tas och expanderas istället för att användas i en turbin. Detta gör att en del av ångan som annars skulle gått till att generera el går till pelletstorkningen. Andra artiklar visar däremot på att elproduktionen ökar vid en integrering av pelletsproduktion med ett kraftvärmeverk(wahlund et al. 2002; Truong & Gustavsson 2013; Song et al. 2011). Framförallt Song et al. (2011) visar på störst ökning av elproduktion vid integrering av pellets. Ökningen jämfört med endast ett kraftvärmeverk var 97 % respektive 83 % beroende på ifall torkningsprocessen skedde utan respektive med rökgaser. Faktorer som skiljs åt i de olika artiklarna och som kan skapa skillnader i resultaten är drifttiden, storleken på kraftvärmeverken och elbehov till torkning. Alla dessa faktorer kan påverka resultaten men inte ge sådana stora skillnader som redovisas. Den stora skillnaden mellan beräkningarna är att i Kohl et al. (2013) tas ånga ur elproduktionsprocessen för att torka sågspån på ett mindre effektivt sätt än Song et al. (2011) vilket gör att ett lägre ångflöde går genom turbinerna. Återbetalningstiden beskrivs i Song et al. (2011) vara mindre än 2 år för integrering av pellets. För att beräkna återbetalningstiden tas den totala investeringskostnaden dividerat på den ökade inkomsten efter integreringen. Även kostnader kring kapital, underhåll och driftkostnader är medräknade. Det finns även befintliga energikombinat som har varit i bruk i några år, tre sådan är Hedensbyn och Storuman som båda ägs av Skellefteåkraft. Dessa anläggningar använder ångtorkning till torkning av biomassan innan den går till pelletering. Hedensbyn anläggningen har varit i drift sedan 1996 och kraftvärmeverket en maxeffekt på 58 MW fjärrvärme och 33MW el och årlig fjärrvärme- och elproduktion ligger på ungefär 258 GWh respektive 139 GWh. Pannverkningsgraden är 90 % och ångans tryck och temperatur efter pannan ligger på 140 bar respektive 540 C. Anläggningen har två turbiner, en högtrycksturbin och en lågtrycksturbin (Nohlgren et al. 2012). Även kraftvärmeverket i Falun har integrerats med en pelletsanläggning och levererar värme till torkning av sågspån (Svebio 2013). 5

16 I Nohlgren et al. (2012) är torken som integrerades med kraftvärmeverket en indirekt ångtork (se avsnitt 2.1 Torktekniker) som återanvänder energi ifrån torken för att producera ånga med ett lågt tryck som kan användas i lågtrycksturbinen. Resultaten visar på att elproduktionen ökar med 40 GWh per år efter integreringen. Återbetalningstiden för hela anläggningen med både kraftvärmeverket och pelletsfabriken blev 7,5 år, vilket kan jämföras med 8,4 år ifall det endast byggts ett kraftvärmeverk (Nohlgren et al. 2012). Wahlund et al. (2002) studerade energikombinat vid Storuman under det första året efter integreringen. Resultatet visar på att antalet drifttimmar och elproduktionen kommer att öka. Dock hade det blivit problem första året med kombinatet framförallt vid utmatningen av pellets som gjorde att produktionen av både pellets och el var lägre än beräknat. 1.4 ÅMOTFORS ENERGI Åmotfors Energi är ett privatägt bolag som startade Anläggningen är ett avfallseldat värmekraftverk som i dagsläget är ett av Sveriges modernaste i sitt slag. Sopor till förbränning fås ifrån närliggande kommuner i Sverige och Norge. Den största delen av den producerade energin går till pappersbruket Nordic paper som ligger bredvid värmekraftverket. Det är ursprungligen deras behov av ånga och hetvatten som skapade idén att bygga ett värmekraftverk i Åmotfors. En del av den producerade energin går även till Eda kommuns fjärrvärmenät. Värmekraftverket har en omsättning på 75 miljoner, en total produktionskapacitet på 180 GWh (av ånga, hetvatten och el). 1.5 SYFTE OCH MÅL Syftet med denna rapport är att studera en integrering mellan ett befintligt värmekraftverk och produktion av pellets. Där möjliga torktekniker ligger som fokus för integreringen. Målet är att öka förståelsen kring tekniska begränsningar och möjligheter för olika torktekniker samt att avgöra vilken av fyra olika torktekniksfall som är lämpligast att använda vid en integrering. Lämpligheten analyseras med hänsyn till fem faktorer: Pelletsproduktion, mängd producerad pellets i form av ton/år och MWh/år. Elproduktion, förändring i elproduktion efter en integrering. Integrering av torkar, hur integreringarna mellan tork och värmekraftverk kan gå till redovisas samt beräkningar på massflödet av ånga som kan skapas av värmeångans kondensat och torkensverkningsgrad. Dimensionering av torkstorlek, storleksordningen på torkarna tas fram och används som underlag vid beräkning och diskussion för ekonomi. Ekonomi, i form av investeringskalkyl samt återbetalningstid, fungerar som en fingervisning på vilken integrering som är att föredra ut ett ekonomiskt perspektiv. 6

17 2 TORKNING AV BIOMASSA Vid förbränning av träbränslen är det enbart torrsubstansen av materialet som ger energi. Vattnet i materialet anses vara en extra last som kräver energi för att det ska förångas. Vid användning av träbränslen finns det två alternativ, antingen så används blött bränsle och då förångas vattnet direkt i pannan och rökgaserna användas ofta som energikälla eller så torkas bränslet innan det används (Wimmerstedt & Linde 1998). Sågspånets totala vikt är torrsubstansen plus vatteninnehållet. Ofta uttrycks sambandet mellan dessa med torrhalt eller fukthalt, där torrhalten är andelen torrt sågspån och fukthalen är andelen vatten. Fukthalten på sågspån som används till pellets brukar ligga mellan % innan torkning och bör efter torkningen ha en fukthalt under 15 % (Wimmerstedt & Linde 1998; Wimmerstedt & Hallström 1984). Fukthalten på sågspånet varierar över året då det generellt är fuktigast på vintern (upp till 65 % fukthalt) och torrast på sommaren (Wimmerstedt & Hallström 1984). Vid torkning är det vanligast med antingen luft, ånga eller rökgaser som torkmedium men det finns även torkar som använder infrarödstrålning (Wimmerstedt & Hallström 1984; Mujumdar & Menon 1995; Mujumdar 1995). Luft är ett effektiv torkmedium på grund av sin höga kapacitet att ta upp vattenånga vid ökad temperatur. Exempelvis kan luft på 20 C totalt innehålla 14,2 gram innan vattenångan når mättnadsgränsen och kondenserar. Om temperaturen på luften höjs kommer fukthalten att minska fastän all vattenånga är kvar. Detta innebär att en temperaturökning på luften till 75 C gör att luften kan innehålla 380 gram vattenånga innan det börjar kondensera, vilket är en ökning med 50 gånger mer vattenånga. På grund av detta är det ofta varm och torr luft som används vid torkning. Luften värmer upp det blöta sågspånet och vattnet avdunstar vid luftens våtatemperatur (Mujumdar & Menon 1995). Träets jämnviktsfuktkvot gör att luftens temperatur och relativa fuktighet påverkar hur låg den slutliga fukthalten i sågspånet kan bli. Vid en luftfuktighet på 90 % kan luft vid 60 C torka sågspån till en fukthalt på 15 % medan luft vid 15 C inte får ha en luftfuktighet över 72 % för att få samma fukthalt på sågspånet (Saarman 1992). Vid torkning i ånga har ångan som omger sågspånet en högre temperartur än förångningstemperaturen på vattnet i sågspånet vilket leder till att vattnet förångas (kokas bort). På liknande vis som vid torkning i luft tappar ångan i temperatur när vattnet i sågspånet värms upp och förångas. Det är viktigt att ångtemperaturen inte sjunker under dess kondenseringstemperatur. Under förångningsprocessen förblir temperaturen på sågspånets yta vid ångans kondenseringstemperatur. Det avdunstade vattnet överhettas däremot till samma temperatur som den omgivande ångan. Torkning i ånga går oftast betydligt snabbare än torkning i luft och brandrisken är så gott som obefintlig. En annan fördel är att ångan kan återcirkuleras och användas igen. Ett uttag av ånga är dock nödvändigt för att ta bort mängden extra ånga som skapats då sågspånsvattnet förångats (Wimmerstedt & Hallström 1984; Amos 1998). Nackdelar med torkning i överhettad ånga är att det är ett mer komplicerat system och då ångan som är vid övertryck ökar risken för läckage. Läckaget kan leda till stora energiförluster. Det är också en dyrare investering än lufttorkning, vilket innebär att om det inte sker en integrering av torken med en annan process som kan ta nytta av överskottsvärmen ifrån ångtorken är den inte en lönsam investering (Amos 1998; Kudra & Mujumdar 2009; Wimmerstedt & Hallström 1984). Vattnet i sågspån delas in i två olika delar, obundet och bundet. Det obundna vattnet 7

18 sitter mellan fibrerna i sågspånet och torkning sker genom förångning. Det bundna vattnet sitter däremot i sågspånets fiber. Det krävs mer energi för att förånga det bundna vattnet då det först måste värmas upp och vandra ut till ytan genom diffusion innan det förångas (Mujumdar & Menon 1995). Torkningsprocessen delas in i tre steg. Det första steget är när endast obundet vatten förångas, då är torktiden och temperaturen konstant. I steg två börjar torra områden på sågspånet bildas, torktiden minskar och temperaturen på materialet börjar närma sig torkgasens temperatur. Det tredje steget börjar när fukthalten är under 20 %, då har allt obundet vatten förångats och det är endast bundet vatten som är kvar, torkhastigheten minskar ytterligare (Mujumdar & Menon 1995; Pang 2001). Det som avgör förångningshastigheten på det obundna vattnet är beroende av temperatur, fukthalt, riktning och hastigheten på torkgasen samt torkmaterialets egenskaper (Mujumdar & Menon 1995). 2.1 TORKTEKNIKER En tork kan antingen vara direkt eller indirekt. I en direkttork används en värmegas i direktkontakt med det som ska torkas. Värmegasen överför en del av sin värme för att värma upp vattnet i torkmaterialet och får det att förångas, sedan förs det förångade vattnet vidare med värmegasen bort från torkmaterialet (Amos 1998). I indirekta torkar är värmegasen aldrig i kontakt med torkmaterialet utan det sker en värmeväxling mellan värmegasen och en bärgas. Bärgasen är det som är i kontakt med torkmaterialet och återcirkuleras, dock tas det bort gas i samma kvantitet som skapas från torkningen så att det är konstant tryck i torkprocessen, både värmegasen och bärgasen kan vara antingen luft och ånga. Fördelen med en indirekt tork är att värmegasen inte blir nedsmutsat av torkmaterialet och kan därför återanvändas utan att rening krävs (Amos 1998; Wimmerstedt & Hallström 1984). Några exempel på torkar med varmluft eller rökgaser som värmegas är, rotertork, pneumatisk tork, bädd/bandtork och svävtork. Rotertorkar tillhör de vanligaste torkarna och är oftast direkta torkar (Kudra & Mujumdar 2009; Pang & Mujumdar 2010). De vanligaste värmegasrna är rökgaser och varm luft. I en direkt rotertork ligger torkmaterialet i en trumma som roterar, se figur 4. Rotationerna gör att torkmaterialet lyfts upp och trillar genom den varma luften eller rökgasen. Detta ökar värme och masstransporten av vattnet i torkmaterialet. Figur 4. Bild över en rotortork. Omgjord ifrån Amos (1998). Den varma torkgasen förs oftast in i trumman medströms så att den torraste och varmaste luften möter det fuktigaste materialet. För att inte torkmaterialet ska följa med 8

19 luftströmmen måste den ha en relativt låg hastighet. Rotertorkar kan användas till flera olika material och är vanlig vid torkning av biobränslen. Inloppstemperaturer ligger mellan ca C och utloppstemperaturen brukar oftast ligga över 100 C för att undvika kondensering av vattenångan i luften (Amos 1998; Pang & Mujumdar 2010). Enligt Wimmerstedt & Hallström (1984) kan torktiden variera från någon minut upp till en timme. När det blir en lång uppehållstid av materialet i en tork är det vara svårt att avgöra fukthalten på torkmaterialet vilket ger en högre brandrisk i torken (Amos 1998; Pang & Mujumdar 2010). Pneumatisk tork har betydligt högre gashastigheter jämfört med en rotertork. Den varma gasströmmen möter torkmaterial som följer med strömmen och torkar i bärgasen. Detta gör att uppehållstiden blir kort, mindre än 30 sekunder. Den varma gasströmmen för med torkmaterialet in i en cyklon där det torra materialet faller ner mot bottnen medan gasen går ut i toppen. Jämfört med en rotertork så kan en lite lägre temperatur användas på gasen vid inloppet vilket tillsammans med den korta uppehållstiden ger en lägre brandrisk (Amos 1998). I en bäddtork ligger torkmaterialet på ett band som sakta förs framåt. Varm gas trycks in eller ut genom små hål i bandet och torkar på så vis materialet underifrån eller uppifrån, se figur 5. Temperaturer på gasen kan vara från ca 80 C till 160 C (Wimmerstedt & Hallström 1984; Pang & Mujumdar 2010). Bäddtorkar har en enkel uppbyggnad, är robusta och lättskötta. De är även relativt billiga och en förväntad återbetalningstid bör ligga på 1-3 år (Sturgeon 1995). Figur 5. Bild över bäddtorken, omgjord från Rodin et al. (2012). Svävtorkar har samma uppbyggnad som bäddtorkar fast där torkgasen har en högre hastighet vilket gör att torkmaterialet lyfter ifrån bandet och då ökar värme och masstransporten (Wimmerstedt & Hallström 1984). Den vanligaste ångtorksmodellen är en indirekttork där bärångan först värms upp av en värmeånga innan torkmaterialet blandas med bärångan. Torkmaterialet följer med bärångan och avskiljs i en cyklon, se figur 6. 9

20 Figur 6. Bild över en ångtork. Omgjord från Amos Värmeångans kondensat och överflödig bärånga tas ut ifrån torken och kan användas som värmekälla till andra processer. Exempel på andra indirekta ångtorkar är MODO Chemetics mottryckstork och Niro ångtork, se Amos (1998), Wimmerstedt & Hallberg (1986) och Wimmerstedt & Linde (1998). MODO Chemetics mottryckstork värmeväxlar värmeånga med bärånga. På flera ställen finns det värmeytor där värmeångan kondenseras och värmeväxlar med bärångan, efter det når torkmaterialet och bärångan en cyklon där torrt material tas ur torken, se figur 7 (Amos 1998; Wimmerstedt & Hallström 1984). Figur 7. Bild över MODO Chemetics ångtork. Omgjord från Amos (1998). 10

21 Värmeångan är en överhettad ånga på ett övertryck oftast mellan 8-15 bar men även tryck upp till 25 bars övertryck kan användas. Värmeångan bör vara minst 30 C varmare än bärångan för en effektiv värmeväxling (Wimmerstedt & Hallström 1984; Wimmerstedt & Linde 1998). Bärångan har oftast ett tryck mellan 1,5-5 bars övertryck och en uppehållstid i torkprocessen är mellan sekunder, för torkmaterialet antas det ta lite längre tid. Bärångan och torkmaterialet delas upp i tuber som oftast har en diameter på 0,1 meter, se figur 7. I torken finns det flera av dessa tuber och det är de som värmeångan kondenseras mot. För att hålla uppe höga hastigheter på bärångan blir effektbehovet till fläktarna i torken högt (Wimmerstedt & Hallström 1984). Överskotts ånga som skapas då vatten avdunstat ifrån sågspånet tappas av efter torkprocessen och resterande ånga återcirkuleras (Amos 1998). I Niro ångtork går bärångan genom en bädd av sågspån som lyfts upp av ångan men följer inte med strömmen. Bärångan värmeväxlas med en värmeånga innan den återvänder till sågspånsbädden, se figur 8 (Wimmerstedt & Linde 1998). Figur 8. Bild över Niro ångtork (Wimmerstedt & Linde 1998). Vanligtvis har bärångan ett tryck mellan 3-5 bars övertryck och värmeånga kan ha ett tryck upp till 25 bar. Uppehållstiden kan vara allt ifrån några sekunder upp till 10 minuter (Wimmerstedt & Linde 1998). Vid en jämförelse mellan en ångtork och en bäddtork där varmluft används integrerat med ett kraftvärmeverk är bäddtorken en billigare investering samt att den ger en högre elproduktion än ångtorken då ångtorken kräver ånga som annars skulle kunnat gå till turbinen. Däremot har ångtorken en högre totalverkningsgrad per använt bränsle vilket gör att det får billigare bränslekostnad än bäddtorken (Nohlgren et al. 2012). 11

22 3 METOD I metoden beskriv de olika fall som studeras samt beräkningsmetoder. Indata till ekvationer i form av ansatta värden beskrivs i tabell 4 i slutet av kapitlet. Värden som densiteter, specifik värmekapacitet och entalpier för vatten och ånga tas ur tabeller. 3.1 ÅMOTFORS ENERGI Det befintliga värmekraftverket vars indata används i denna rapport är Åmotfors energis värmekraftverk. Figur 9 visar en schematisk bild över värmekraftverkets process över turbinerna och värmeväxling till hetvatten. Vid förbränning av avfall hettas vatten upp till en överhettad ånga på 40 bars övertryck och 380 C, den överhettade ångan expanderar i en högtrycksturbin och el genereras. Efter högtrycksturbinen har ångan ett övertryck på 6 bar och temperatur på 219 C, 87 % av ångan vid 6 bars övertryck kyls till 165 C (mättnadstemperaturen) och används till Nordic paper och internt bruk på värmekraftverket. Resterande ånga expanderas till ånga vid atmosfärstryck i en lågtrycksturbin. Ångan värmeväxlas sedan med hetvatten som efter det värmeväxlas med vatten till Nordic paper och fjärrvärmenätet. Figur 9. Schematiskbild över Åmotfors energis ång och vatten flöden (Höglund 2014). Utöver de flöden som visas i figur 9 finns rökgaser från förbränning av avfallet med en effekt på 2,67 MW och temperatur på 134 C som i dagsläget inte återvinns. 3.2 VAL AV FALL Åmotfors energi har i grunden tre olika former av ånga som kan användas. En högvärdig 40 bars övertryck ånga som tas ifrån pannan som kan expanderas till önskat tryck, 6 bars övertryck ånga som tas ut efter högtrycksturbinen samt ånga vid atmosfärstryck som fås efter lågtrycksturbinen. Två olika torktekniker väljs, en med överhettad ånga som torkmedium och en med luft som torkmedium. Totalt studeras fyra fall; en ångtork med högvärdig värmeånga på 24 bars övertryck, en ångtork med värmeånga på 6 bars övertryck, en bäddtork med luft som värms upp av ånga vid atmosfärstryck och rökgaser, slutligen är det en tork som har både en ångtork 12

23 och en bäddtork för att optimera produktionen av pellets genom att ta tillvara på spillvärme och samtidigt integrera med de befintliga ångflödena i Åmotfors energis värmekraftverk. För integreringarna med ångtorkarna används en MODO Chemetics ångtork. Anledningen till att den väljs är för att den är en indirekttork som klarar av både höga och låga tryck på värmeångan. Vid torkning med luft som torkgas väljs en bäddtork då den klarar av att torka sågspån vid låga lufttemperaturer. För alla fall antas det att Nordic paper kommer få ett halverat behov av ånga och hetvatten och att det är den minskningen i effektbehov som skapar en möjlighet för en integrering mellan värmekraftverket och en pelletsanläggning. Fall 1: Ångtork med värmeånga på 24 bars övertryck Det första fallet som studeras är en MODO Chemetics ångtork som har en värmeånga på 24 bars övertryck och en bärångan på 7 bars övertryck. Ångan som går genom högtryckturbinen tas ut vid 24 bars övertryck istället för dagen 6 bars övertryck, vilket innebär att inte hela högtrycksturbinens kapacitet används. Efter torken omvandlas en del av värmeångans kondensat till ånga vid 6 bar övertryck som kan användas till att täcka Nordic papers- och värmekraftverkets ångbehov, en del av ångan går till lågtrycksturbinen, se figur 10. Figur 10. Bild över integrering med ångtork fall 1 där ång- och vattenflödena till värmekraftverket och torkningen redovisas. Ångflödet ifrån värmeväxlaren efter torken måste vara minst 5,3 kg/s för att täcka Nordic papers, fjärrvärmens och värmekraftverkets behov, ifall massflödet blir lägre än det går integreringen inte att utföra. Detta fall kallas i denna rapport Ångtork 24/7 efter de tryck på ångorna som används. Fall 2: Ångtork med värmeånga på 6 bars övertryck Det andra fallet är även det en MODO Chemetics ångtork. Ånga vid 6 bars övertryck 13

24 som tas efter högtrycksturbinen och används som värmeånga i torken. Massflödet på ångan är det som fås då Nordic paper antas halvera sitt ång- och hetvattenbehov och den ånga som annars skulle gått till lågtrycksturbinen. Bärångans tryck är 1 bars övertryck och det överskott som fås efter torken används för att omvandla värmeångans kondensat till ånga vid atmosfärstryck, se figur 11. Då ångtorken använder ånga som annars går till lågtrycksturbinen blir den i detta fall oanvänd. Massflödet av ånga vid atmosfärstryck som fås från värmeångans kondensat som värmeväxlas med bärångan ska vara högre än 1,2 kg/s för att integreringen ska gå att utföra. Figur 11. Bild över integrering med ångtorken fall 2, där ång- och vattenflödena till värmekraftverket och torkningen redovisas. Detta fall kallas i denna rapport Ångtork 6/1 efter ångornas tryck. Fall 3 Bäddtorken Luften som används till bäddtorken är uteluft som värmts upp till 80 C av ånga vid atmosfärstryck samt rökgaser ifrån Åmotfors energi. Ångan som används är det extra massflöde som fås då Nordic paper halverar sitt behov av ånga och hetvatten. Figur 12 visar hur en integrering med en bäddtork kan se ut. 14

25 Figur 12. Schematiskbild över integrering med bäddtorken, där flöden av ånga, vatten och rökgaser till värmekraftverk och torken redovisas. Detta fall kallas för Bäddtork i denna rapport. Fall 4 Åmotforstorken Det fjärde fallet är en integrering med både en ångtork och en bäddtork. Vid en sådan integrering tas spillvärme ifrån ångtorken i form av bärångans kondensat och överblivet kondensat från värmeånga som inte omvandlas till ånga vid atmosfärstryck för att värmeväxla med uteluft till bäddtorken, se figur 13. Figur 13. Bild över integrering med Åmotforstorken, där flöden av ånga, vatten och rökgaser till värmekraftverket och torken redovisas 15

26 Efter ångtorken måste värmeångans kondensat omvandlas till ånga vid atmosfärstryck med ett massflöde på minst 1,2 kg/s för att täcka hetvattenbehovet. Även överskottsånga vid atmsfärstryck och rökgaser används för att värma upp luften till bäddtorken. Sågspånet kommer först förvärmas och torkas något i bäddtorken innan det sluttorkas i ångtorken. Detta fall kallas Åmotforstork. Sammanfattningsvis kommer det finnas 4 olika fall. Fallen får värmeenergi ifrån värmekraftverket vid olika tryck, temperaturer och flöden. Fallen och indata presenteras i tabell 1. Åmotforstork MODO Chemetics ångtork/bäddtork Tabell 1. De fyra olika fallen med indata i form av tryck på värme- och bärånga samt massflödet på värmeångan. Typ av tork Tryck på värmeånga [bar, ö] Tryck på bärånga [bar, ö] Massflöde värmeånga [kg/s] Ångtork 24/7 MODO Chemetics ,89 ångtork Ångtork 6/1 MODO Chemetics 6 1 5,1 ångtork Bäddtork Bäddtork Atmosfärs- - 3,86 tryck 6/atmosfärstryck 1/- 5,1 3.3 AVGRÄNSNINGAR OCH ANTAGANDEN Nedan redovisas avgränsningar och antaganden som gjorts inför beräkningar 1. Det antas att pappersbruket Nordic paper kommer att halvera sitt behov av ånga och hetvatten. 2. Vid drift är värmekraftverkets pannas effekt är alltid på100 %. 3. Drifttiden antas vara lika många timmar som det var Allt vatten som avdunstas ifrån sågspånet antas vara obundet. 5. I kostnader för investeringskalkyl är endast torken och pelletsfabriken medräknade. Eventuella extrakostnader så som ombyggnationer i Åmotfors energis befintliga system och extra inköp av värmeväxlare och dylikt är inte med i kalkylen. 6. Energitillförsel i form av strålning och ledning bortses ifrån. 7. Vid dimensionering är det enbart ytorna där värmeväxling sker mellan värmegasen och sågspån som beräknas. 3.4 PELLETSPRODUKTION Den mängd pellets som produceras tas fram genom att massflödena för sågspån (torrsubstans), avdunstat vatten samt vattenmängd som inte avdunstas beräknas. Effekten som krävs från torken för att värma upp sågspån och vatten, förånga vatten och överhetta det avdunstade vattnet beskrivs i ekvation 1. (1) 16

27 Ekvation 1 gäller för både ångtorken och bäddtorken fast för bäddtorken överhettas inte det avdunstade vattnet vilket innebär att den sista additionen inte tas med. Sambandet mellan sågspån och avdunstat vatten och vatten som är kvar i sågspånet beskrivs i ekvation 2 och 3. (2) (3) Ekvation 2 och 3 sätts in i ekvation 1 så att det enbart är sågspånets massflöde som är en okänd faktor. Tillförd effekt till torken är kondenseringsenergin från ångan som fås ifrån Åmotfors energi. Hur mycket av den effekten som används till torkning av sågspån beror av torkens verkningsgrad, se ekvation 4 (Cengel & Ghajar 2011). Där tas ifrån Åmotfors energi och beräknas enligt ekvation 5 (Cengel & Ghajar 2011). Förångningsentalpin är den största faktorn men ekvation 5 gör att även energin vid temperaturförändringar på den överhettade ångan och kondensatet tas med. För bäddtorken används samma ekvation men enbart entalpin ifrån den överhettade ångan samt kondenseringen, då kondensatet tas direkt efter ångan kondenserats (se figur 12). I ångtorken antas bärångans temperatur vara mitt imellan värmeångans kondenseringstemperaur och bärångans förångningstemperatur (Hilmart & Gren 1987). I bäddtorken däremot krävs det extra beräkningar samt ett Mollierdiagram för att ta fram temperaturen på luften och sågspånet efter torkning. Figur 14 visar schematiskt hur beräkningarna i Mollierdiagrammet utfördes. 1-2 luften värms upp från en utetemperatur till 80 C, mängden vattenånga är konstant. 2-3 luften går genom bädden av sågspån, temperaturen och entalpin på luften sjunker utan att den befuktas. 3-4 sågspånet har nått våttemperatur och vatten börjar avdunsta. Luftens entalpi är konstant och luften befuktas och kyls längs med entalpilinjen. Det är vid 4 som våttemperatur tas och vid 5 tas temperaturen på luften ut ur torken vid 70 % fukthalt. Itteration används så att våttemperatur och entalpi efter uppvärmning av det blöta sågspånet stämmer överens (3-4). (4) (5) 17