Förprojektering av ny kylanläggning på AarhusKarlshamn. Delrapport 1

Transkript

1 Institutionen för Kemiteknik Projektering (KET050) Lunds Tekniska Högskola Förprojektering av ny kylanläggning på AarhusKarlshamn Delrapport 1 Rapport av: Elisabeth Joelsson Johanna Johansson Adam Jomaa Hanna Landbring Sofia Löwgren

2 Förprojektering av ny kylanläggning på AarhusKarlshamn Delrapport 1 Sammanfattning Målet i denna första delrapport har varit att kartlägga existerande kylsystem på AarhusKarlshamn med fokusering på följande anläggningar: Utlastning och avvaxning Deodorisering Raff-F Komfortkyla Dessutom skulle alternativ undersökas till de ovan utredda kylsystemen, som för närvarande innehåller ett antal kylkompressorer med köldmediet ammoniak. De undersökta alternativen skall förhoppningsvis bidra till att sänka AarhusKarlshamns befintliga energikostnader och eventuella investeringar ska vara återbetalda inom tre år. Ett antal alternativ har, efter litteraturstudier, ansetts intressanta för en fortsatt undersökning. Några av dessa bygger på redan existerande teknik i anläggningen. För det första skall en närmare undersökning göras för att se om det är möjligt att optimera de förhållanden som för närvarande råder i processen. Detta för att inte förbruka mer energi än nödvändigt i de olika processtegen. Sedan ska en undersökning göras för att se om havsvatten kan användas mer effektivt och exempelvis kyla strömmar inom åtminstone högre temperaturintervall. Därutöver skall en utredning genomföras för att värdera om det skulle vara lönsamt att ersätta, eller eventuellt kombinera, dagen kylsystem med absorptionskylmaskiner eller lagring av snö och is.

3 Innehållsförteckning 1 Inledning Företagsbeskrivning AarhusKarlshamn i Karlshamn Processer Energianvändning Existerande teknik Kylkompressorer Komfortkylanläggningen Fraktioneringen Raff-F Avvaxning och utlastning Deodorisering Alternativ till dagens kylsystem Effektivisera i existerande process Absorptionskylmaskiner Enkelstegs LiBr-absorptionskylmaskin Ammoniak-vatten Tvåstegs LiBr-absorptionskylmaskin Lågtemperaturdrivna LiBr-kylmaskiner Lagring av snö Snökyla Snöanläggningen i Sundsvall Problem Diskussion kring fortsatt arbete Källförteckning

4 1 Inledning Syftet med uppgiften är att, på uppdrag av AarhusKarlshamn, utföra en förprojektering för att undersöka om det är möjligt för företaget att sänka sina energikostnader i deras kylsystem. För närvarande utnyttjas till stor del kylkompressor, som börjar bli dyra i drift i takt med de stigande elpriserna. I denna studie har fokus lagts på kylsystemen inom följande fyra områden på AarhusKarlshamns anläggning: Utlastning och avvaxning Deodorisering Raff-F Komfortkyla Alla dessa områden använder kylkompressorer för delar av kylproduktionen. För att närmare kunna uppskatta elförbrukningen och den totala kostnaden har dessa områden till en början varit tvungna att kartläggas och resultaten återfinns i denna rapport. Parallellt med kartläggningen av de befintliga kylsystemen har ett antal alternativ till tidigare nämnda system tagits fram. Dessa alternativ kan bestå i en effektivisering av nuvarande teknik eller till viss del ersättning av befintliga system med ny teknik. De alternativ som ansetts aktuella kommer i nästa rapport att undersökas mer ingående. 2

5 2 Företagsbeskrivning AarhusKarlshamn bildades 2005 genom en sammanslagning av Aarhus United och Karlshamn. I dagsläget har AarhusKarlshamn cirka 2500 anställda runt om i världen och produktionsanläggningar återfinns i sju länder; Danmark, Sverige, Nederländerna, Mexiko, Storbritannien, Uruguay och USA. AarhusKarlshamn har specialiserat sig på att producera högförädlade vegetabiliska specialfetter. Dessa fetter distribueras till företag som arbetar inom bland annat livsmedels-, kosmetika- och foderindustrin samt företag som tillverkar miljövänliga smörjmedel. AarhusKarlshamn är indelat i följande avdelningar: Choklad och konfektyr Livsmedelsingredienser Vegetabiliska lipider för läkemedel och kosmetika Tekniska applikationer Djurfoder AarhusKarlshamn utgår främst från råvarorna rapsfrön, palmkärnor och sheanötter men även sojabönor, majs, solrosfrön, jordnötter och kokosnötter används. I sin produktion av specialfetter framställer AarhusKarlshamn fullgoda alternativ som ersätter mjölkfetter, kakaosmör och transfetter. Företaget är världens ledande leverantör av kakaosmörersättning AarhusKarlshamn i Karlshamn Trots att koncernen AarhusKarlshamn är ung finns det sedan lång tid tillbaka stor erfarenhet av fettproduktion i Karlshamn. Redan på 40-talet gjordes viktiga leveranser till margarinindustrin. 2 På anläggningen i Karlshamn arbetar idag ungefär 600 personer och årligen produceras cirka ton olja från 280 till 300 recept. En del av oljorna som förädlas erhålls genom pressning och extraktion av råvara i Karlshamn men en stor del av oljorna levereras färdigpressade till företaget. 3 Anläggningen ligger belägen vid havet, i Karlshamns hamn, se figur 1. 1 Webbdokument: AarhusKarlshamn. Årsredovisning Webbdokument: AarhusKarlshamn. Historia 3 Muntlig källa: Ulf Oscarsson

6 Figur 1. Flygfoto på anläggningen i Karlshamn Processer För att gå från råvara till färdig produkt krävs flera processteg. I figur 2 finns en översiktsbild över dessa. Först sker pressning och extraktion av råvaran. Då fås en råolja som sedan avlecitineras, tvättas och avfärgas. Vid avlecitinering avlägsnas lecitin, proteiner, sockerarter och metaller med hjälp av syrat vatten. I tvättsteget används istället basiskt vatten som från oljan separerar fria fettsyror som kan användas för att producera industrifetter. I avfärgningssteget avlägsnas färger och oxidationsrester med hjälp av ett adsorptionsmedel. Från avfärgningen kan oljan sedan gå antingen via mellansteg eller direkt till deodorisering. I mellanstegen sker fraktionering och avvaxning där oljan kyls så att separation av olja och fetter sker med avseende på smältpunkter. Oljan kan även hydreras eller omestras. Vid omestring bildas en helt ny typ av fett från en blandning av två ingående oljor. Hydrering innebär att dubbelbindningar i fettsyrorna tar upp väten och därmed får högre smältpunkt. Vid deodoriseringen avlägsnas oönskade smak- och luktämnen från oljan genom att ångdestillera den vid mycket lågt tryck. 4 4 Artz et al., Processing - Introduction to the Processing of Fats and Oils 4

7 Pressning och extraktion Djurfoder Råoljor Avlecitinering Animaliskt och vegetabiliskt fett Tvättning Fettsyraproduktion Avfärgning Fettsyror Avvaxning Fraktionering Omestring Hydrering Deodorisering Utlastning Figur 2. Schematisk bild över processerna i Karlshamn Energianvändning Genom att minimera sin energianvändning kan företag i processindustrin spara mycket pengar. AarhusKarlshamn bedriver ett ständigt energibesparingsarbete inom bland annat följande områden 5 : Bränsleflexibilitet i ångproduktion Optimering i produktion och förbrukning av ånga Aktiv energihandel med utsläppsrätter Processoptimering och energibesparingar AarhusKarlshamns kostnader för bränsle och el uppgick år 2005 till cirka 100 miljoner kronor. Elanvändningen var 110 GWh el, vilket motsvarar en tredjedel av den totalt 5 Oscarsson, U., Process- & Energiteknik, Energibesparingsarbete AAK Sweden AB 5

8 tillförda energin. De stigande elpriserna har lett till högre energikostnader för AarhusKarlshamn. Därför vill företaget undersöka om det går att minska elanvändningen. Den största delen av elanvändningen går till elektrolys av vatten för vätgasframställning (används till hydrering). Denna förbrukning är svår att minska om man inte överväger att producera vätgasen på annat sätt. En relativt stor andel av elanvändningen går till processer som kyls med kylkompressorer. Genom att effektivisera eller ersätta dessa med andra alternativ borde de totala energikostnaderna kunna minska. Detta ska undersökas i denna förprojektering. 6 6 Muntlig källa: Ulf Oscarsson

9 3 Existerande teknik I nuläget används kompressionsvärmepumpar (även kallade kylkompressorer) för att producera en betydande del av kylbehovet på AarhusKarlshamn. Då dessa förbrukar stora mängder el har det stigande elpriset lett till ökade energikostnader för företaget under senare år. Därför undersöks om kylkompressorerna kan bytas ut mot något annat alternativ. De kylkompressorer som studeras används dels i tillverkningsprocessen, men även för att producera komfortkyla. En förteckning över kylkompressorerna ses i tabell 1 där även deras elanvändning och kylproduktion visas. 7 Tabell 1. Förteckning över de studerade kylkompressorerna Anläggning Antal kompressorer Elanvändning [MWh/år] Producerad kyla [MWh/år] Komfortkyla 3 * 2600 Deodorisering (DESO) * Utlastning & Avvaxning 2 * * Raff-F * * Ej kända värden 3.1 Kylkompressorer Principen för en värmepump är att en energimängd flyttas från en låg temperatur till en högre. För att detta ska vara möjligt måste någon form av energi tillföras utifrån. Kylkompressorer kräver mekanisk energi som vanligen kommer från en elektrisk motor. Absorptionskylmaskiner utnyttjar istället värme som tillförs vid en hög temperatur och behöver därtill endast en liten mängd mekanisk energi för att driva systemet. I figur 3 ses en schematisk bild över en kylkompressor. 8 7 Muntlig källa: Ulf Oscarsson Wimmerstedt R., Värmepumpar 7

10 Figur 3. Schematisk bild över en kylkompressor I den slutna kretsen i figur 3 cirkulerar ett köldmedium mellan två olika trycknivåer. När köldmediet har förångats komprimeras det med hjälp av en kompressor. Det är till denna kompressor som energi måste tillföras, oftast genom en elektrisk motor. Därefter kondenseras köldmediet och avger den energi som tagits upp genom förångning och kompression. Sedan återgår mediet till den lägre trycknivån, då den passerar en expansionsventil. I en kylkompressor är förångningstemperaturen viktig. Det är nämligen när köldmediet förångas som värme tas upp från det medium som ska kylas. Därför måste förångningstemperaturen anpassas efter den temperatur man vill kyla till. 9 Vid jämförelse av olika kylmaskiners prestanda används måtten kylfaktor (COP kyla ) samt volymetrisk köldalstringsförmåga. Den senare innebär levererad effekt per volymsflöde in i kompressorn och beror främst på ångbildningsentalpin på gasen och trycket vid kompressorns inlopp. 10 Uttagen kyla Tillförd högvärdig energi COP kyla = [ ] Volymetrisk köldalstringsförmåga = Uttagen kyla volym köldmedium J m 3 COP kyla för en kylkompressor är typiskt runt 4-5. För en absorptionskylmaskin kan COP kyla inte vara större än 1. Vanligtvis ligger kylfaktorn runt Wimmerstedt R., Värmepumpar 10 Vamling L., Val av arbetsmedia för värmepumpar och kylmaskiner 8

11 3.2 Komfortkylanläggningen Komfortkylstationen används för att konditionera luften i processanläggningen och övriga byggnader på området. Den totala motoreffekten uppgår till 274 kw och är fördelad på en större kylkompressor på 200 kw och två mindre kompressorer på 37 kw var. Dessa kylkompressorer utnyttjar ammoniak som köldmedium. De två mindre kompressorena är kopplade så att de har en gemensam förångare och kondensor. Kompressorerna är uppbyggda för att köldmediet ska uppta värme i förångaren från köldbärarmediet som skickats tillbaka från anläggningen. Köldbärarmediet består i detta fall av en blandning av den egentillverkade produkten VegoCool-15 och vatten med fördelningen 40/60. Det inkommande köldbärarmediet håller cirka 13 C och kyls ner till 7 C innan den åter går ut i fabriken. För att kondensera det förångade köldmediet i kylkompressorerna förs havsvatten in i kondensorn där det upptar värme från köldmediet. I figur 4 ses en schematisk bild över kylkompressorerna på komfortkylanläggningen. 11 Figur 4. Schematisk bild över kylkompressorerna på komfortkylanläggningen Den maximala kyleffekten för komfortkylanläggningen är för den stora kompressorn 1040 kw och för de två små 370 kw. Behovet av kyla kommer dock att variera under året på grund av de olika årstiderna. Den största kyleffekten kommer att behövas på sommaren. Därför körs den stora kylkompressorn endast under de varmaste delarna av året Flödesschema: Central komfortkylanläggning 12 Flödesschema: Central komfortkylanläggning 9

12 Köldbärarmediet VegoCool-15, som är ett glycerolbaserat miljövänligt köldmedium, klarar temperaturer ner till -15 C. VegoCool-15 är inte brandfarligt och dessutom extra köldtåligt eftersom det inte volymutvidgas när det fryser. Köldbärarmediet är i komfortkylanläggningen utblandat med vatten eftersom det inte behövs så låga kyltemperaturer för komfortkylan Fraktioneringen I fraktioneringen delas den inkommande oljan upp i olika fraktioner genom nedkylning. De fetter som har högst smältpunkt kristalliseras då ut. Detta görs för att kunna plocka ut olja med olika smältpunkter och kvaliteter för att kunna skapa en specifik slutgiltig produkt. Fraktioneringen på AarhusKarlshamn sker på två olika sätt; antingen genom torrfraktionering eller genom fraktionering med lösningsmedel tillsatt till oljan (Raff-F). I torrfraktioneringen sker separation av fetterna genom nerkylning från cirka 60 C till 10 C där olika fraktioner kan plockas ut. Den största delen av denna kylning görs med havsvatten Raff-F I ett första steg blandas oljan med lösningsmedel för att separera triglyceriderna från varandra för att sedan kunna få renare kristaller. Hur mycket lösningsmedel som tillsätts beror på vilken oljesort som fraktioneras. Vid exempelvis fraktioneringen av palmolja på AarhusKarlshamn används aceton som lösningsmedel. Den tillsatta mängden aceton är i detta fall fem gånger större än mängden olja som fraktioneras. När sedan oljeblandningen kyls bildar en del av oljan kristaller medan resten fortfarande är flytande. Fraktionerna separeras sedan genom filtrering. Därefter tvättas kristallerna med aceton och smälts upp. Fraktionerna leds vidare till en indunstare och en avdrivarkolonn där aceton, som sedan återanvänds i processen, drivs av med hjälp av ånga. I figur 5 visas en schematisk bild över kylningen på Raff-F. Eftersom oljan som ska fraktioneras blandats ut med aceton måste kylningen i Raff-F ske till en lägre temperatur än i torrfraktioneringen för att kristallisation ska ske. Blandningen kyls ned till -23 C med den ammoniak som är köldmedium i processens fyra kylkompressorer. En del av denna kyla går även till torrfraktioneringen Webbdokument: Kylma AB. Produktblad, Köldmedium och oljor, VegoCool Muntlig källa: Per Widströmer Muntlig källa: Per Widströmer

13 Figur 5. Schematisk bild över kylningen på Raff-F 3.4 Avvaxning och utlastning Eftersom oljor från exempelvis majskorn och solrosfrö utvinns utan att man tar bort skalet kommer oljan efter extraktionssteget att innehålla mycket vaxer från skalen. Vid temperaturer ner mot 5 C faller vaxerna ut och oljan blir grumlig. Detta bör undvikas så att oljor, till exempel majs- och solrosolja, som används till dressingar och liknande kan förvaras i kylskåp. 16 På AarhusKarlshamn avvaxas oljan satsvis i två omrörda avvaxningstankar där vakuum råder. Tankarna kyls med en blandning av glycerol och vatten. Under de första åtta timmarna kyls oljan ned till 1 C, sedan hålls denna temperatur i ytterliggare åtta timmar så att vaxerna kan falla ut. Dessa kan sedan separeras från lösningen i nästa steg då blandningen förs vidare till en filterpress. 17 Innan oljorna lämnar AarhusKarlshamn vid utlastningen kyls de ner för att få förbättrad hållbarhet. Vilken temperatur de kyls till varierar beroende på produkt och kund. Oljorna kyls först med en havsvattenkylare och sedan i en värmeväxlare, vars kalla medium även kyler tankarna i avvaxningen (se figur 6). Denna glycerol-vatten-blandning kyls i förångaren i ett kylaggregat med två kylkompressorer. Kylkompressorerna har en motoreffekt på 30 kw vardera. Förångnings- och kondensortemperaturerna ligger på -5 respektive 25 C. Den beräknade kyleffekten totalt för de båda kylkompressorerna är 200 kw. Kylningen av oljan till utlastning förbrukar cirka 190 kw och avvaxningen förbrukar cirka 60 kw. När avvaxning och utlastning pågår samtidigt räcker alltså inte kylningen till Utdelat material från Ulf Oscarsson, Avvaxning 17 Utdelat material från Ulf Oscarsson, Avvaxning 18 Oscarsson, U., Widströmer P., Sammanställning av kylkompressorer 11

14 Figur 6. Schematisk bild över kylningen på avvaxning och utlastning 3.5 Deodorisering Deodorisering är det sista steget i raffineringen av oljan. I tidigare raffineringssteg har oljan avlecitinerats, tvättats och avfärgats. I stort sett är deodoriseringssteget en ångdestillering där flyktiga smakande och luktande ämnen avlägsnas från oljan. De flyktiga ämnena är främst aldehyder och ketoner men även fria fettsyror, alkoholer, steroler och tokoferoler. Eftersom dessa ämnen har låga ångtryck genomförs deodoriseringen i vakuum (1-5 mbar). Deodoriseringsapparaten består av en stående cylinder med flera bottnar. Vattenånga tillförs i bottnarna och blåses genom oljan som får en temperatur på ca 230 C. 19 För att uppnå det låga trycket i en deodorisör måste vattenångan som lämnar apparaten kondenseras vid mycket låga temperaturer (runt -30 C). För detta ändamål krävs ett omfattande vakuumsystem bestående av fettsyrakondensorer och iskondenseringssystem. På AarhusKarlshamn produceras all kyla till iskondenseringen med hjälp av kylkompressorer. 20 I figur 7 visas en översiktlig bild på hur deodoriseringsanläggningen ser ut på företaget. 19 Webbdokument: Ullmann s encyclopedia of industrial chemistry Online. Fats and Fatty Oils. 20 Utdelat material från Ulf Oscarsson, Deodorisering 12

15 Figur 7. Schematisk bild över deodoriseringsanläggningen I processen i Karlshamn finns tre deodorisörer; DESO 5, 6 och 7. Alla kylkompressorer som finns i deras iskondenseringssystem är från tillverkaren Sabroe och har ammoniak som köldmedium. DESO 5 och 6 har tillsammans tre kylkompressorer med en motoreffekt på 200 kw var. Endast två av dessa körs samtidigt medan den tredje avisas. På DESO 7 finns två lite kraftigare kylkompressorer (250 kw i motoreffekt) och även här avisas en åt gången. Kyleffekten är 236 kw för varje deodorisör. I figur 8 ses en schematisk bild över hur kylsystemet ser ut. Det som kallas förångare i denna figur är samma som iskondensorn i figur 7. Där kondenseras och fryses 300 kg vattenånga per timme och det är detta kylbehov som måste tillgodoses. 21 Figur 8. Schematisk bild över kylsystemet på deodoriseringsanläggningen 21 Oscarsson, U., Widströmer P., Sammanställning av kylkompressorer 13

16 4 Alternativ till dagens kylsystem Kyla kan framställas på ett antal olika sätt. Eftersom kylkompressorerna på AarhusKarlshamn kräver mycket el har möjligheter till besparingar studerats. Nedan följer en genomgång av några alternativ som finns. Senare kommer även potentiella förslag studeras närmare. 4.1 Effektivisera i existerande process Istället för att helt byta ut kylkompressorerna kan det löna sig att optimera den process som finns idag. Då kan exempelvis följande frågeställningar beaktas: Kan man använda högre förångningstemperaturer samt lägre kondenseringstemperaturer i kylkompressorerna? Körs kylkompressorerna optimalt eller kan deras COP ökas? Kan mer kylas med hjälp av havsvatten? Kan kylkompressorerna regleras annorlunda? Det finns också möjlighet att kombinera olika kylalternativ. En tänkbar variant skulle kunna vara att först kyla med havsvatten eller absorptionskylmaskin till en viss temperatur och sedan vidare ner till önskad temperatur med kylkompressor. Beroende på årstiden och köldmedium kan alternativen vara olika effektiva. 4.2 Absorptionskylmaskiner Absorptionskylmaskinen har i likhet med kylkompressorn en förångningsprocess med förångare och kondensor. Det är en lovande vattenburen teknik för att distribuera kyla. De vanligaste arbetsmedierna är en blandning av litiumbromid (LiBr) och vatten samt ammoniak och vatten. Valet av arbetsmedium kommer att påverka absorptionkylmaskinens egenskaper. Förutom att leverera kyla kan en absorptionskylmaskin också användas för värmning av vatten. Då kallas den istället för absorptionsvärmepump. I stort sett består absorptionskylmaskinen av fyra olika delar. Dessa delar är förångare, absorbator, generator samt kondensor (se figur 9). En enkelstegs LiBr-kylmaskin arbetar mellan två olika trycknivåer; en hög trycknivå i kondensorn och generatorn samt en låg trycknivå i förångaren och absorbatorn. Till skillnad från kylkompressorn behövs ingen elkrävande kompressor utan tryckökningen sker här endast med hjälp av mindre pumpar, som pumpar lösningen mellan absorbatorn och generatorn. Detta leder till att absorptionskylmaskiner har betydligt lägre elförbrukning. Att tryckökningen kan ske endast med hjälp av mindre pumpar beror på att arbetet utförs med vätskor och inte med gaser, som i en kylkompressor. Drivkraften i absorptionskylmaskiner är koncentrationsskillnaden som uppstår hos absorbentlösningen Webbdokument: ÅF Energi och Miljöfakta. Energifakta, Värmeproduktion och distribution. 14

17 Figur 9. Enstegs LiBr-kylmaskin Rent teoretiskt ska en kylfaktor (COP kyla ) på 1.0 kunna uppnås i en aborptionskylmaskin. Dock är det inte möjligt i praktiken. För den vanligaste enkelstegs absorptionskylmaskinen kan en kylfaktor på cirka 0.7 uppnås, förutsatt att god värmeväxling mellan strömmarna sker. Kylfaktorn påverkas av vilket arbetspar som används men också av hur absorptionskylmaskinen är utformad. I jämförelse med kylkompressorerna påverkas inte kylfaktorn lika mycket av skillnad i temperaturnivå. 23 Absorptionskylmaskiner som använder litiumbromid och vatten som arbetspar kan levereras kommersiellt för storskalig produktion. Dessutom finns mer skräddarsydda tillämpningar också att tillgå. Det finns ett flertal tillverkare runt om i världen. I tabell 2 ses några alternativ på tillverkare av LiBr- och ammoniak-absorptionskylmaskiner. Tabell 2. Tillverkare av absorptionskylmaskiner Namn Webbadress Carrier (USA) Colibri BV (Nederländerna) Hitachi (Japan) Mitsubishi Heavy Industries (Japan) York (USA) 23 Värmedriven kyla, FoU 2004:112 15

18 Nedan följer en beskrivning av absorptionsprocessen då vatten-litiumbromid används. Förångaren: Här fås köldmediet, i detta fall vattnet, att koka med hjälp av mycket lågt tryck (0.01 bar) och värmen tas från det medium som vill kylas. Mättnadstemperaturen för vattnet i förångaren måste ligga under lägsta temperaturen på mediet som kyls. Absorbatorn: Här absorberas lågtrycksvattenångan från förångaren av LiBr-lösningen. När detta sker frigörs värme vid en temperatur som är högre än den som råder i förångaren. Saltlösningen pumpas sedan tillbaka till generatorn. Generatorn: Generatorns uppgift är att separera arbetsmedierna. Saltlösningen som kommer från absorbatorn hettas upp, varvid vattenånga avskiljs och saltlösningens koncentration höjs. Vattenångan går vidare till kondensorn och den koncentrerade saltlösningen går tillbaka till absorbatorn. Innan saltlösningen går tillbaka till absorbatorn värmeväxlas den mot den svaga lösningen. Kondensorn: Här kondenserar vattenångan från generatorn och värme frigörs innan det återförs till förångaren genom ett expansionskärl. Ångan kondenseras med hjälp av kylvatten. Lägst temperatur hos inkommande värme finns i förångaren, medan den högsta finns i generatorn. Utgående temperatur ligger alltid mellan nivåerna i generatorn och förångaren Enkelstegs LiBr-absorptionskylmaskin För att driva absorptionsprocessen krävs en viss lägsta koncentration hos absorbenten och en viss temperatur måste hållas. Om koncentrationen blir högre eller om temperaturen sjunker ökar absorptionsprocessens drivkraft. Generellt för en LiBr-lösning bör temperaturdifferensen mellan förångaren och absorbatorn högst vara 40ºC för att undvika kristallisation. Detta beror på att skillnaden mellan mättad saltlösning och rent vatten är 50ºC vid förångningstemperaturen 2ºC. Vid högre förångningstemperatur ökar temperaturdifferensen. Om en process önskar ett högre temperaturlyft än 40ºC behövs andra alternativ som till exempel fler kylmaskiner eller ett annat arbetspar med högre hygroskopiskt temperaturlyft. Oftast är det temperaturen på kylvattnet som avgör temperaturnivån i absorbatorn. Vid låg temperatur på kylvattnet är en temperatur runt 30ºC rimlig i absorbatorn. Temperaturen i kondensorn ger trycket och därmed temperaturen i generatorn. Då temperaturerna är bestämda kan sedan önskad koncentration avläsas. För en LiBr-lösning kan man leverera kyla ner till +5 ºC. 25 Figur 10 visar förhållandet mellan temperaturen och trycket för en enkelstegs LiBrabsorptionskylmaskin. Figuren är tagen från Fjärrvärmeverkets hemsida och är en 24 Värmedriven kyla, FoU 2002: Värmedriven kyla, FoU 2004:112 16

19 förklaring till hur koncentrationen kan påverka kylmaskinens parametrar. Diagrammet visar att en låg koncentration är bra om en låg kyltemperatur önskas. Figur 10. Log p-t diagram för LiBr/vatten, enkelsteg Ammoniak-vatten Ammoniaklösningen har en högre drivtemperatur än vad LiBr-lösningen har. Generatorn arbetar mellan ºC. En temperaturskillnad på 60-70ºC tillåts mellan spillvärmetemperatur och kyltemperatur. Det är ett intressant alternativ för kombinering av kraft-, värme- och kylproduktion eller där absorptionsanläggningen ligger intill produktanläggningen. Med ammoniak-vatten kan kyla levereras ner till -60ºC. 26 Figur 11 visar processen i ett ln p-t-diagram. Diagrammet är inte exakt utan visar endast principen för processen och är taget från företaget Colibri BV:s hemsida. Colibri BV är ett holländskt företag som tillverkar och levererar absorptionskylmaskiner där ammoniakvatten används Examensarbete: Absorptionskyla i Linköpings energisystem 27 Webbdokument: Colibri BV. The absorption process in the lnp / 1/T diagram. 17

20 Figur 11. ln p-t diagram för vatten-ammoniak absorptionskylmaskin. EV=förångare, CO=kondensor, AB= absorbator, DE=Generator. Till skillnad från LiBr-vatten är det inte vatten som förångas i detta fall utan istället råder jämvikt vilket leder till att både ammoniak och vatten går vidare till kondensorn. För att uppnå en viss temperatur på kylan (förångningstemperatur) krävs en minsta temperaturskillnad som drivande kraft. Denna temperatur är beroende av den önskade förångningstemperaturen och temperaturen på kylvattnet för absorbatorn och kondensorn. Nackdelar med systemet är att ammoniak är giftigt vilket leder till vissa speciella aspekter när det gäller design, drift och underhåll. Detta leder till att utrustningen oftast blir dyrare än vid LiBr-vattensystem. Kylmaskinerna blir också mer komplicerade på grund av att både ammoniak och vatten förångas i generatorn. Tillståndet på ångan från generatorn beror av hur mycket energi som tillförs. Det är önskvärt att få en ånga som i möjligaste mån består av ren ammoniak. Då köldmediet innehåller ett salt sker i generatorn i stort sett bara en indunstning medan det i systemet ammoniak-vatten istället mer är som en destillation. 28 Ammoniak-vattensystemet har också en lägre kylfaktor, runt 0.5 jämfört med 0.7 för LiBr-vatten. 29 En fördel med systemet är att det har en fryspunkt som ligger under fryspunkten för vanligt vatten och att det går att komma ner i så låga temperaturer som -60ºC. Som nämnts tidigare finns det ett holländskt företag, Colibri BV, som tillverkar absorptionskylmaskiner. På deras hemsida lämnas referenser till gjorda installationer och bland dessa finns bland annat en margarintillverkare. Enligt hemsidan behöver de i sin 28 Absorption heat pumps and heat transformers, Värmedriven kyla, FoU 2004:112 18

21 process en förångningstemperatur på -28ºC och för att åstadkomma detta har de köpt in en absorptionskylmaskin som drivs med hjälp av 6 bars ånga Tvåstegs LiBr-absorptionskylmaskin Denna typ av absorptionskylmaskin kräver en högre temperatur hos drivvärmen och ger högre COP kyla, upp till 1.2. Vid temperaturer över 160ºC är litiumbromid inte stabilt och leder till korrosion på anläggningen. Skillnaden från den vanliga enkelstegs absorptionskylmaskinen är att tryckökningen här sker i två steg. Detta innebär att en högtrycksgenerator och en högtryckskondensor tillkommer. Värme tas från högtryckkondensorn och används i lågtryckskondensorn. Mer värme kan på detta sätt absorberas vid den låga temperaturen i förångaren vid samma ingående mängd. En nackdel med denna typ av absorptionskylmaskin är den mer komplexa utformningen på grund av fler värmeväxlare och pumpar Lågtemperaturdrivna LiBr-kylmaskiner Det finns möjligheter att driva absorptionskylmaskiner med en lägre drivtemperatur än vad som tidigare tagits upp i denna rapport. Dessa lågtemperaturkylmaskiner bygger på halvstegsabsorptionskylmaskiner och kan använda sig av en drivtemperatur ner till omkring 70ºC. Detta gäller endast då det finns kylvatten att tillgå vid tillräckligt låg temperatur. Denna typ av kylmaskin består av två generatorer och två absorbatorer medan det endast finns en förångare och kondensor. Generatorerna arbetar vid olika temperatur vilket gör det möjligt att använda drivenergi i ett större område. I Sverige har denna process väckt intresse eftersom billig fjärrvärme under sommaren finns tillgänglig och kan då användas till att mata processen med Lagring av snö Snökyla Snökyla är så kallad grön kyla som innebär att man lagrar snö eller is för att sedan använda det till kylning under året. Kylan utvinns vanligtvis genom att låta en köldbärare, som vanligtvis är vatten, cirkulera genom ett snölager. 33 Snön eller isen lagras vanligtvis i ett bergrum eller en grop och en metod för att skydda snön är att täcka snölagret med träflis. 34 Med hög värmekapacitet och smältvärme samt en smälttemperatur på 0ºC har is och snö bra egenskaper för lagring av kyla. Den största delen av kylan fås vid fasomvandlingen till flytande vatten från iskristaller. Att höja vattnets temperatur från 0ºC till ungefär 80ºC motsvarar isens smältvärme vilket innebär att mycket kyla kan utvinnas ur ett snölager 30 Webbdokument: Colibri BV. References. 31 Integration av absorptionskylmaskiner i fjärrvärmesystem, FoU 2004: Värmedriven kyla, FoU 2004: Webbdokument: Snowpower. Principen för snökyla. 34 Examensarbete: Miljökonsekvensanalys av snökylanläggning och kylmaskin 19

22 utan att temperaturen stiger nämnvärt. Värmen värmer upp iskristallerna till 0ºC varefter energin går åt till att smälta isen till vatten utan att temperaturen stiger. Den naturliga smältningen beror främst på värmeöverföring från luften och solen men även marken och nederbörd bidrar till att lagret smälter. Trots att snölagret isoleras med träflis smälter nästan hälften av lagret under sommaren på grund av värmeöverföring från luften Snöanläggningen i Sundsvall Den enda snölagringsanläggning som finns i Sverige ligger i Sundsvall och producerar kyla till Sundsvalls regionsjukhus. Innan anläggningen kom i drift använde sig sjukhuset av en konventionell kylmaskin för att täcka sitt kylbehov. Köldmediet som användes var freonbaserat och på grund av att dessa blev förbjudna från och med den 1 januari 2000 var ett nytt kylsystem tvunget att installeras. Förutsättningarna för en kylanläggning med snö i Sundsvall var goda eftersom det redan fanns en plats för snödeponi i närheten av sjukhuset med snö från gator och parkeringar. Principen för kylanläggningen i Sundsvall är att man har ett snölager, en pump och en värmeväxlare (se figur 12). Smältvattnet leds genom en sand- och oljeavskiljare efter att det passerat ett galler som tar bort eventuell träflis. Innan smältvattnet når värmeväxlarna passerar det ett filter för att avskilja partiklar som kan orsaka igensättning. I värmeväxlarna värms smältvattnet från cirka 3ºC till 10ºC och vattnet inne på sjukhuset kyls från ungefär 12ºC till 7ºC. Smältvattnet förs tillbaka till snölagret och används för att smälta mer snö. Då det bildas ett överskott av smältvatten pumpas detta ut till en bäck. Effekten från anläggningen styrs av hur mycket smältvatten som pumpas till värmeväxlarna. Dimensioneringen av pumpar, värmeväxlare och rörledningar är avgörande för hur mycket kyla som kan utnyttjas. Anläggningens tekniska livslängd är beräknad till 40 år. Principen kan användas för kylbehov där temperaturer strax över 0ºC eller varmare är önskvärda. 35 Figur 12. Principskiss på kylanläggningen i Sundsvall. 35 Examensarbete: Miljökonsekvensanalys av snökylanläggning och kylmaskin 20

23 4.3.3 Problem Ett av problemen med snöanläggningen är att snön innehåller föroreningar. Snö som legat på vägen innehåller partiklar från fordonstrafik som kommer från avgaser och från nötning av däck och asfalt. Ett annat problem kan vara för hög bullernivå från anläggningen. Som markisolering mot tjälskador används plast vilket har den största negativa miljöpåverkan i snöanläggningen Examensarbete: Miljökonsekvensanalys av snökylanläggning och kylmaskin 21

24 5 Diskussion kring fortsatt arbete Kartläggningen av de utvalda kylsystemen på AarhusKarlshamn har visat att det, inom de studerade områdena, finns sammanlagt 14 kylkompressorer. Alla använder köldmediet ammoniak och kyls med havsvatten. För att minska elkostnaderna har ett antal alternativa förslag arbetats fram som skall undersökas närmare i nästa rapport. Hel eller delvis användning av absorptionskylsystem Mer effektiv användning av havsvatten Förändrade förångnings- och kondenseringstemperaturer i kylkompressorerna Annorlunda reglering av kylkompressorerna Lagring av snö och is Ett av förslagen är att om möjligt installera absorptionskylmaskiner vilka kräver mindre el än de nuvarande kylkompressorerna. Absorptionskylmaskinerna kommer att kunna kyla ner till olika temperaturer beroende på valet av köldmedium. De köldmedier som har ansetts aktuella för fortsatt utredning är ammoniak-vatten och litiumbromid-vatten, vilka är vanligt förekommande i absorptionskylmaskiner. Fördelen med ammoniak-vatten är att det kan nå ner till mycket låga kyltemperaturer såsom -60 C. Dess nackdel är att det är giftigt, vilket gör att hanteringen och all eventuell utrustning runt omkring kommer att bli kostnadskrävande. AarhusKarlshamn borde dock ha goda hanteringsrutiner för ammoniak eftersom det redan idag används på anläggningen. Vid användning av litiumbromid kommer aldrig de låga temperaturer att erhållas som behövs på många ställen i anläggningen, eftersom köldmediet enbart kan leverera kyla ner till 5 C. Fördelen med litiumbromid är emellertid att det är billigare och inte giftigt. Därför skulle det kunna vara av interesse att installera absorptionskylmaskiner innehållande litiumbromid på de ställen där det inte krävs så låga kyltemperaturer. Absorptionskylmaskinerna skulle även kunna stå för en del av kylningen inom ett temperaturintervall för att minska användningen av kompressorerna. Ett annat förslag är att utnyttja havsvattnet mer för kylning än det som nu redan görs. Precis som för absorptionskylmaskinerna skulle det genom direkt värmeväxling kunna kyla bort en del av den värme som återfinns i det högre temperaturintervallet. Nackdelen med havsvattnet är att det kan kyla olika mycket beroende på årstid, eftersom vattnets temperatur stiger på sommaren. För att spara energi skulle även vissa optimeringar i processen kunna göras så att de blev mer effektiva. Detta bland annat genom att titta på vad som skall kylas och vid vilka tryck och temperaturer det sker. Utöver detta finns ett förslag att titta på kylning med snö och is. Tillgången på snö och is är dock begränsad i Karlshamn. Därför kanske snö och is måste transporteras från andra platser. Möjligheter till lagring i bergrum inom anläggningen finns emellertid. 22

25 6 Källförteckning Litteratur Artz W., Doty S., Mag T., Widlak N., Processing - Introduction to the Processing of Fats and Oils, American Oil Chemist's Society, 2003 Rapporter Ekoff P., Lund J., Absorptionskyla i Linköpings energisystem, Linköpings Tekniska Högskola, 2006 Eriksson K., Absorption heat pumps and heat transformers, Lunds Tekniska Högskola, 1987 Ryrstrand M., Martin V., Westermark M., Värmedriven kyla, Svensk Fjärrvärme AB, Forskning och Utveckling 2004:112 Zinko H., Söderberg S-O, Fahlén E., Gebremedhin A., Integration av absorptionskylmaskiner i fjärrvärmesystem, Svensk Fjärrvärme AB, Forskning och Utveckling 2004:119 Webbdokument AarhusKarlshamn. Årsredovisning Hämtad: AarhusKarlshamn. Historia. Senast uppdaterad: 2006 Hämtad: Kylma AB. Produktblad, Köldmedium och oljor, VegoCool Senast uppdaterad: Hämtad: ÅF Energi och Miljöfakta. Energifakta, Värmeproduktion och distribution. r=3&page=2 Senast uppdaterad: Hämtad:

26 Ullmann s encyclopedia of industrial chemistry Online. Fats and Fatty Oils. ent/html?hd=all,fats&hd=all,fatty&hd=all,oils Senast uppdaterad: Hämtad: Colibri BV. The absorption process in the lnp / 1/T diagram. Senast uppdaterad: Hämtad: Colibri BV. References. Senast uppdaterad: 2005 Hämtad: Snowpower. Principen för snökyla. Hämtad: Energivetenskaper, LTH, MVK120 Energihushållning, Värmepumpar med CO 2 som köldmedium. Senast uppdaterad: 2006 Hämtad: Flödesscheman Central komfortkylanläggning. 872 Centralhus, Plan 3, Flödesschema Ritningsnr: Specialraffinaderi 210-R, Avvaxningsanläggning med oljeutlastning och kylmaskin , Ritningsnr: Raffinaderi D: Vakuumsystem för Deso 5 och Deso 6. Flödesschema Ritningsnr: Kompendier Wimmerstedt R., Värmepumpar, Avdelningen för Kemisk Apparatteknik (LTH), 1991 (reviderad 2001) Vamling L., Val av arbetsmedia för värmepumpar och kylmaskiner, Värmeteknik och maskinlära, Chalmers Tekniska Högskola, 2002 Utdelat material från Ulf Oscarsson, Avvaxning Utdelat material från Ulf Oscarsson, Deodorisering 24

27 Muntliga källor Ulf Oscarsson, AarhusKarlshamn, Per Widströmer, AarhusKarlshamn, Övriga källor Oscarsson, U., Process- & Energiteknik, Energibesparingsarbete AAK Sweden AB, 2007 Oscarsson, U., Widströmer P., Sammanställning av kylkompressorer,