Teknikbeskrivning av en pneumatisk tork

Transkript

1 Teknikbeskrivning av en pneumatisk tork Definition och beräkning av nyckeltal Technical description of a pneumatic dryer Definition and calculations of key figures Elin Jireskog Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Civilingengörsutbildningen i miljö- och energisystem 15 hp Helena Johansson Cider Roger Renström

2 Sammanfattning För att möta den ökade efterfrågan på miljövänliga alternativ till oljan bör biobränslen ta en allt större plats. Ett biobränsle som är både förnyelsebart och koldioxidneutralt är pellets men för att tillverka pellets måste sågspånet torkas innan pelletering. Detta för att pelleten ska uppnå önskad kvalitet gällande energitäthet och hållbarhet. När spånet torkas genomgår det tre olika faser som har olika torkningshastigheter. Vilka förhållanden som råder och vilka krav som gäller spelar in på valet av tork då det finns ett antal olika modeller att välja bland. För biomassa är den vanligaste torken en roterande trumtork men det finns också torkar som använder sig av en värmepumpkrets för återvinning av energi. När en värmepumpkrets används är det ånga som går i ett kretslopp och på så sätt kan upp till 85 % av energin återvinnas. Ett sätt att jämföra olika torkar är med hjälp av nyckeltal som beskriver olika saker beroende på var systemgränsen har satts. I detta arbete har nyckeltal definierats och beräknats för en torkanläggning belägen i Sveg, Härjeåns Energi AB, som är en tork av pneumatisk typ med ånga som värmebärare och har en värmepumpkrets. För att som läsare bättre kunna förstå vad som händer och vad de olika nyckeltalen säger har en teknikbeskrivning utförts som går igenom komponent för komponent i torken och berättar vad som skett med ångor, kondensat och material. Förutom en beskrivning av vad som hänt i de olika komponenterna har det även förklarats hur komponenterna styrts beroende på det torkade materialets fukthalt, nivåer i tankar och så vidare. De komponenter som agerar i värmepumpkretsen är här torkstegen som fungerar som kondensator, ångomformaren som fungerar som förångare och kompressorn. Värmepumpkretsen återvinner energi och högtrycksångan går i ett kretslopp. Den ånga som för materialet genom torken är cirkulationsångan, och även den går i ett kretslopp via blandkammaren, torkstegen, cyklonen, överhettaren och cirkulationsfläktarna. Materialet, det vill säga inkommande sågspån, matas in till förvärmarskruven och går sedan via pluggskruven, rivarskivan och blandkammaren vidare till torkstegen. Efter torkstegen avskiljs materialet från cirkulationsångan i cyklonen och går vidare till avspänningskärlet som är sista komponenten innan det nu torkade sågspånet går vidare till pelletering. De nyckeltal som har definierats och beräknats har dels systemgräns anläggningen och dels torken i sig. Nyckeltal kopplade till hela anläggningen är energi/ton torrsubstans, energi/ton avvattnat och energi/ton pellets. De nyckeltal som gäller torken är eleffektivitet, energieffektivitet (EE), torkgas (SGC), specifik volym (SV) och värmefaktor (COP). Som grund till beräkningarna av nyckeltalen finns data från givare placerade i torkens komponenter och data given från anställda på anläggningen. Resultaten för nyckeltalens beräkningar visas i diagram då de är beräknade för en längre period med ett värde per timme alternativt ett värde per dag. Värdena på energi/ton TS, energi/ton avv och energi/ton pellets ligger mellan cirka MJ/ton, värdena på eleffektiviteten är cirka 7-11 MWh el *h/ton pellets, SGC har värden på kg/kg, SV:s värden är m 3 *s/kg, energieffektivitetens medelvärde är 206 % och slutligen COP som har värden mellan 5-8,5. Förutom dessa värden finns det toppar i samtliga diagram som beror på att torken har stoppats och sedan startats igen vilket kräver extra energi.

3 Abstract Biofuels should take a larger place to meet the increased demand on environmentally friendly options to oil. One option is wood pellet which is both renewable and carbon neutral, but in order to produce pellets the sawdust have to be dried. If not, the pellet does not have the right energy density and strength. When the sawdust is dried it goes through three phases with different drying rates. There are a lot of dryers to choose between and they all have their own pros and cons. Current conditions and requirements helps determine the type of dryer to use. The most common type of dryer to use for biomass drying is the rotating drum dryer but there are also dryers which use a heat pump to recover energy. When using a heat pump it is steam that goes in a cycle and this makes it possible to recover up to 85 % of the energy. One way to compare different dryers is using key figures. A key figure depends on where the system boundary is set, and to compare two dryers they need to have the same system boundary. In this work the key figure for a plant located in Sveg Sweden, Härjeåns Energi AB, will be defined and calculated. This plant has a dryer of pneumatic type with steam as the heating medium and it also has a heat pump. The study starts with a technical description to increase the understanding of the dryer and what happens with the steam, the condensate and the material through the dryer. Besides this there is a brief description of how the dryer is controlled and it continue with the definition of the key figures. The heat pump circuit includes the following components: drying step functioning as capacitor, steam converter functioning as evaporator and finally a compressor. The heat pump circuit recovers energy and high pressure steam goes into a cycle. Circulation steam, that causes the material to go forward through the dryer, also goes into a cycle via the among chamber, drying step, cyclone, superheater and circulation fans. Incoming sawdust enters the preheat screw and then goes through plug screw, tear disc and among chamber further to drying step. The cyclone separates material and circulation vapor from each other and the material goes on to flash tank. Then dry sawdust can be pelletized. The ratios are defined and calculated with two different system boundaries, one is the dryer and one is the plant. Key figures that are linked to the plant are energy/ton dry matter, energy/ton dewatered and energy/ton pellet. The dryers key figures are electricity efficiency, energy efficiency, specific gas consumption (SGC), specific volume (SV) and coefficient of performance (COP). Input data for calculations comes from sensors inside the dryer and from employees at the plant. The results of the calculations are shown in charts as they are calculated for a longer period with a value per hour, alternatively, one value per day. The values of energy/ton dry matter, energy/ton dewatered and energy/ton pellet is between MJ/ton, the electricity efficiency is about 7-11 MWh electricity *h/ton pellet, SGC is between kg/kg, SV is about m 3 *s/kg, average value of energy efficiency is 206 % and finally COP which is about 5-8,5. In addition to these values there are some extreme values in every chart due to start and stop in the plant which requires extra energy.

4 Förord Detta kandidatarbete har omfattat 15 högskolepoäng och har utförts på Karlstads universitet i uppdrag från dess institution för miljö- och energisystem. I kandidatarbetet har det även ingått en resa till anläggningen Härjeåns Energi AB i Sveg som innehar den tork som arbetet behandlar. Jag vill tacka min handledare Helena Johansson Cider för hjälp och stöttning under arbetets gång. Jag vill även tacka personalen på Härjeåns Energi AB för den hjälp och beskrivning av torken som jag fick vid mitt besök i Sveg. Detta kandidatarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete. Elin Jireskog, Karlstad

5 Innehållsförteckning Introduktion... 1 Metod... 4 Presentation av anläggningen... 4 Komponenter värmepumpkrets (energiåtervinning)... 4 Komponenter torklinjen... 6 Styrning av komponenter i värmepumpkrets... 8 Styrning av komponenter i torklinjen... 8 Beräkningar... 8 Givare - placering, mätintervall och osäkerheter... 8 Nyckeltal - begrepp och definitioner... 9 Resultat Diskussion Slutsats Referenser... 17

6 Introduktion Samtidigt som allt mer energi går åt i dagens samhälle går utvecklingen mot energieffektivare produkter. Till de energieffektivare produkterna finns även en önskan att använda bränslen som är miljömässigt bättre än oljan. Oljan ger, till skillnad från de allt mer populära biobränslena, ett nettoutsläpp av koldioxid vid förbränning (Gröndahl, Svanström, 2010). Inom kategorin biobränslen finns bland annat pellets, som är sammanpressat sågspån, som eldas och därigenom ger värme. Fördelar med pellets är att det är förnyelsebart, koldioxidneutralt och ger inte utsläpp av några miljöskadliga ämnen vid förbränning. Dessutom är det lättare att hantera och förvara än ved. Sverige kan anses som ett av de ledande landen när det gäller att utnyttja biobränslen för uppvärmning. Det byggs inte bara nya pannor som klarar att förbränna till exempel pellets, utan det förekommer också att gamla olje- och kolpannor konverteras till att klara förbränning av biobränslen (Wimmerstedt, 1999). Att inte bara satsa på nybyggnad av pannor utan att bygga om gamla sparar material och därmed jordens resurser. För att kunna tillverka pellets måste sågspånet torkas innan det kan pressas till små, cylinderformade bitar. Anledningen till att spånet torkas är att oförädlat biobränsle har en ojämn fukthalt som vid förbränning ger ojämnt resultat, detta i sin tur leder till sämre verkningsgrad. Torkningen gör alltså att det blir en högre energitäthet i bränslet. Sågspånet har, när det kommer från sågverk och hyvlerier, en fukthalt på cirka 50-55% som reduceras till 8-12% innan pelletering (Olsson, 2001). En annan anledning till att spånet måste torkas är att om det innan pelletering har en för hög fukthalt är risken att pelleten spricker sönder igen överhängande. Fukthalten på utgående material från en tork kan styras med hjälp av kontrollparametrar, där temperaturen på utgående torkmedium har visats vara användbar som en sådan (Berghel & Renström, 2007). Sågspån är ett så kallat hygroskopiskt material vilket innebär att det drar till sig fukt. Torkning av spånet följer en torkkurva som innehåller olika steg som visar i vilken fas av torkning som spånet befinner sig, det vill säga hur mycket fukt som finns kvar för tillfället. I den första fasen innehåller ytan på spånet fri fukt som förångas och torkningshastigheten är konstant. Mot slutet av första fasen måste fukten föras från kärnan på spånet till ytan med kapillärkrafter. Under andra fasen i torkkurvan avtar hastigheten och detta fortsätter tills ytan på spånet är helt torr. Den tredje och sista fasen innebär att de kapillära krafterna nu är för svaga för att fortsätta föra vatten till spånets yta. Istället tar diffusionskrafter över som för vatten från hög koncentration till låg koncentration. Under denna fas är torkningshastigheten som lägst (Mujumdar, 1995). De olika faserna visas i figur 1. 1

7 Första fasen Torkningshastighet Andra fasen Tredje fasen Tid Figur 1. Visar faserna i ett materials torkkurva. Fritt efter Mujumdar, När det kommer till val av lämplig tork bör hänsyn tas till ändamålet och vilka driftförhållanden som råder. Olika torkar har olika för- och nackdelar som spelar in på resultatet. Roterande trumtork, pneumatisk tork (även kallad flash-tork), kaskadtork och överhettad ångtork är några exempel på torkar där den för biomassa vanligaste torken är roterande trumtork (Amos, 1998). Att en tork är pneumatisk innebär att materialet som torkas åker med torkmediet som kan vara till exempel ånga. Torkning av sågspån är en energikrävande process som för att få ett större genomslag bör effektiviseras. Effektiviseringen innebär i detta sammanhang att få bukt med de problem som i processen bidrar till ökad energi- och tidsåtgång. Ett problem som drabbar många torkanläggningar är igensättningar som inte bara innebär en energikrävande rengöring utan också leder till minskad produktivitet på grund av driftstopp. Ett sätt att göra en tork mer energieffektiv är att använda en värmepumpkrets för återvinning av energi. När en värmepumpkrets används går ångan från den rena sidan i ett kretslopp som innebär att den komprimeras på nytt. Detta efter att ångan först kondenserat i torken, gått via en värmeväxlare och en ångomformare. På detta sätt är det möjligt att spara upp till 85 % energi, där resterande del, 15 %, är det som i form av mekanisk kraft behöver tillföras kompressorn (Sloth Jensen, 2011). Det är dock inte problemfritt att använda värmepumpstorkning, utan det finns problem som Minea (2013) uttrycker the real challenge is to make drying heat pump systems reliable, credible, and as simple as possible. Coefficient of performance, COP, är ett mått på en värmepumps effektivitet. Värdet på COP beror på mellan vilka temperaturer värmepumpen arbetar men för en värmepump för uppvärmning av hushåll ligger det vanligtvis på mellan 4-5. Rimliga värden på COP för en torkanläggning framgår inte från studerade artiklar. Det pratas också om, som ett steg mot energieffektivitet, att torkning och pelletering borde ske på plats på sågverk och att denna samordning bidrar till minskad energiåtgång då det blir mindre transporter (Berghel & Renström, 2013). I dagsläget är huvuddelen av de svenska pelletsfabrikerna inte sammanslagna med sågverk utan de köper in sågspån som kommer med transport i form av till exempel tåg och lastbil. För att bilda en realistisk bild av en torkanläggnings kapacitet kan så kallade nyckeltal definieras. Nyckeltal kan vara ett bra sätt att utvärdera en anläggning och dess kapacitet då 2

8 exempelvis energi ställs i relation till produktion. Det är därför viktigt att definiera var systemgränsen har satts för att ett nyckeltal ska kunna jämföras med andra anläggningar. Om systemgränsen inte innefattar samma eller liknande komponenter går det inte att jämföra dessa nyckeltal med varandra. Detta arbete har behandlat en torkanläggning belägen i Sveg. Torken ägs av Härjeåns Energi AB och användes till en början för att torka torv. Den har sedan allt mer övergått till att torka spån för att kunna producera pellets och briketter för uppvärmning. I dagsläget torkas både torv och spån i olika perioder. Pellets och brikettillverkning sker på plats på anläggningen. Torken är av pneumatisk typ med ånga som torkmedium och dess kapacitet är ton torv/år, räknat som torrsubstans. Det förekommer att det bildas igensättningar i torken och det är ett problem som behöver lösas. Därför pågår ett projekt med detta som mål, att komma fram till vad som orsakar igensättningarna. I detta arbete har torkens teknik beskrivits och dess nyckeltal har definierats samt beräknats. Syftet med arbetet är att vara en del i forskningsprojektet om igensättningarna. Detta genom att göra det inledande arbetet med teknikbeskrivningen. Målet är att med hjälp av teknikbeskrivningen kunna definiera och presentera anläggningens specifika nyckeltal. Nyckeltalen i denna rapport säger i nuläget inget om problematiken med igensättningarna. 3

9 Metod Presentation av anläggningen I nedanstående beskrivning av anläggningen är det några begrepp som är vanligt förekommande; med cirkulationsånga menas den ånga som för materialet fram genom torken och den rena ångan, eller högtrycksångan som den också kallas, är den ångan som ingår i värmepumpkretsen och är alltså den ånga som agerar som värmebärare till torken. Tryck som anges är relativa, det vill säga övertryck. Materialets, cirkulationsångans och den rena ångans väg beskrivs översiktligt i figur 2. Ren ånga Ren ånga Torkstegen Ångomformare Kompressor Material in Förvärmarskruv Cyklon Pluggskruv, rivarskiva, blandkammare Kondensattank Tank Överhettare Avspänningskärl Cirkulationsånga Torrt material ut Cirkulationsfläkt Figur 2. Översiktlig bild över materialets, cirkulationsångans och den rena ångans väg genom torken. I figur 2 som är en översikt av torken motsvarar de olikfärgade pilarna de olika flödena med ångor och material. Röda pilar visar materialets väg, gröna pilar visar cirkulationsångans väg och de blå pilarna visar högtrycksångans väg genom torken. Komponenter värmepumpkrets (energiåtervinning) Värmepumpkretsen är det som ser till att energi kan återvinnas och det är här som den rena ångan, högtrycksångan, cirkulerar i ett kretslopp. Figur 3 visar en översiktlig bild av värmepumpkretsen. 4

10 Torken (kondensor) Kompressor Ventil Ångomformaren(förångare) Figur 3. Enkel skiss över värmepumpkretsen. In i ångomformaren kommer kondensatet från högtrycksångan som har passerat kondensattanken och överhettaren. I ångomformaren finns ett stort antal tuber som är rör i vertikal riktning. En kondensatpump pumpar högtrycksångans kondensat till toppen av ångomformaren där det sedan rinner på insidan av tuberna. Cirkulationsånga kommer in i ångomformaren, via en kondensatavskiljare, även kallad ryggsäcken, och kondenserar på utsidan av tuberna. När cirkulationsångan kondenserar frigörs ångbildningsvärme till högtrycksångans kondensat som rinner på insidan tuberna. Ånga bildas då av högtrycksångans kondensat och den rena ångan avskiljs i botten av ångomformaren och går vidare till kompressorn. Kondensatet som bildas av cirkulationsångan går via kondensatavskiljaren till en tank. Det är viktigt att inget vatten följer med den rena ångan till kompressorn och därför finns en droppavskiljare mellan ångomformaren och kompressorn. Eventuellt kondensat som följt med ångan till droppavskiljaren går där vidare till mavatanken. Figur 4 visar en enkel skiss av ångomformaren. Ångomformare Kondensat från högtrycksångan Cirkulationsånga "Ryggsäcken" Ren ånga till kompressorn Kondensat från cirkulationsångan Figur 4. En enkel illustration av hur ångomformaren och ryggsäcken ser ut. 5

11 Kondensatet som bildas från cirkulationsångan kyls i fjärrvärmeväxlare och värmen används till uppvärmning av fjärrvärmenätet. Denna värmeväxling värmer fjärrvärmevattnet från 60⁰C till 80⁰C. Kondensatflödet går efter fjärrvärmeväxlarna till flashtanken, där en så kallad flashning sker. Detta innebär att en trycksänkning sker relativt snabbt, från högt tryck till lågt tryck. När detta sker bildas ånga som en följd av entalpiändringen. Denna ånga kan användas i förvärmarskruven. Kompressorn komprimerar den bildade ångan, från högtryckskondensatet, i fyra seriekopplade steg till ett tryck på 8-13 bar. I samband med kompressionen överhettas ångan. Det är denna ånga som tillförs i torkstegen som högtrycksånga. Komponenter torklinjen Torken börjar med matarskruven som är den som ser till att materialet kommer in i systemet, det vill säga för materialet i rätt riktning. Efter matarskruven kommer materialet till förvärmaren, även kallad förvärmarskruven, som förvärmer materialet. Att förvärma materialet görs bland annat eftersom materialet vintertid kan vara fruset. Till förvärmarskruven tillförs ånga från ångomformaren och avspänningskärlet som kondenserar och därmed överför energi som värmer materialet. Vid för högt tryck finns ett sprängbleck som ger vika på rätt ställe för att undvika skador. Sprängblecket är en plåtbit med ett skuret kryss. När materialet har förvärmts matar pluggskruven det från atmosfärstryck till ett mottryck på cirka 3 bar och håller emot ångan så att den inte går i fel riktning. Vid start av torklinjen byggs pluggen av materialet för hand. Rivarskivan river sönder pluggen till finpartikulära bitar som blandas med cirkulationsångan i blandkammaren. Mellan pluggskruven och blandkammaren finns ett spjäll som gör att ångan kan gå upp på ena sidan spjället och ta med sig materialet ned i blandkammaren och vidare till torkstegen. Ångfläktarna är de som transporterar och cirkulerar ångan som för med sig materialet, cirkulationsångan. Figur 5 visar en enkel skiss över pluggskruv, rivarskiva och blandkammare. Pluggskruv Rivarskiva Ånga Ånga och material Figur 5. Illustrerar hur materialet matas fram av pluggskruven, rivs sönder av rivarskivan och sedan blandas med cirkulationsångan. Materialet går sedan med ångan vidare ut till torkstegen och uppehållstiden i torken är cirka 20 sekunder innan ånga och material slutligen når cyklonen. Torkstegen är det som i figur 2 6

12 ser ut som ett stort rör med böjar. Inuti dessa böjar går det massa små rör, de så kallade tuberna. I torkstegen kommer högtrycksånga från kompressorerna på den rena sidan, utsidan, av tuberna. Det finns i två delar av torkstegen 73 stycken tuber och i de tre andra delarna 97 stycken tuber. Högtrycksångan har ett maximalt tryck på 13 bar som motsvarar cirka ⁰C. Inuti tuberna går cirkulationsångan och materialet som har ett tryck på 3 bar och en temperatur på cirka ⁰C. Högtrycksångan kondenserar på den rena sidan och förs till ett kondensattank, även kallat onödiga burken. Att högtrycksångan kondenserar ger en hög värmeöverföring till cirkulationsångan som överhettas och avdunstning startar från materialets partiklar. Högt tryck på högtrycksångan ger en högre temperatur och därmed bättre värmeöverföring. Figur 6 visar en enkel skiss över torkstegen med dess tuber och flödet av ånga och material. Tuber Högtrycksånga Cirkulationsånga och material Kondensat till kondensattanken Figur 6. En enkel bild av hur torkstegen ser ut med invändiga tuber och hur den rena högtrycksångan kommer in. Efter torkstegen går materialet och ångan in i en cyklon där det torra materialet avskiljs från cirkulationsångan. En del av cirkulationsångan går från cyklonen vidare till överhettaren och fortsätter i ett kretslopp medan resterande del går till ångomformaren där den kondenserar. Till överhettaren kommer också högtrycksångans kondensat från kondensatkärlet och kyls där medan cirkulationsångan värms. När kondensatet är kylt går även det vidare till ångomformaren där det går från vätskefas till ångfas. Avspänningskärlet, som är beläget efter cyklonen, är till för att ta ned trycket till atmosfärsnivå igen. Det torra materialet kommer sedan ut färdigtorkat. Spånet är då fortfarande varmt och kyls innan pelletering med en fläkt. Precis som i förvärmarskruven finns här ett sprängbleck som vid för högt tryck löser ut. I avspänningskärlet vill man ha ±0 bar. Om mindre än 0 sugs torrt material med den skitiga ångan och vidare i kretsen. Övertryck sugs ut av ångomformaren och ångan går vidare tillbaka till förvärmaren. 7

13 Styrning av komponenter i värmepumpkrets I droppavskiljaren finns en nivåvakt installerad, som vid hög nivå på kondensatet ger signal om att stänga till kompressorn. Detta eftersom det är viktigt att inte få in vatten i vätskefas i kompressorn. För kompressorn finns en pumpningslinje som är specifik för denna kompressor. Om driftpunkten hamnar för nära pumpningslinjen ges en signal om att öka ångflödet till kompressorns inlopp. När detta sker förflyttas driftpunkten till ett stabilare område. Trycket i kompressorn regleras manuellt. Temperaturvakter ger signaler om för hög temperatur som i sin tur stänger till kompressorn. Styrning av komponenter i torklinjen Temperaturgivare finns som anger torkens temperatur. Börvärdet på temperaturen är den temperatur som är optimal för lagom fukthalt på färdigtorkat spån, 9,5 %, och den kan ställas in manuellt. Om vetskap finns att spånet som matas in är blötare än vanligt kan börvärdet höjas direkt för att motverka en för fuktig produkt. Mätvärdet ska ligga så nära börvärdet som möjligt. Om börvärdet ligger över mätvärdet som givaren visar är torken för kall och det kommer att resultera i en för hög fukthalt på spånet. En signal skickas då till matarskruven som varvtalregleras för att mata in mindre material. Som kompensation för mindre material i torken stiger temperaturen och fukthalten kommer därmed att minska. Prover tas varannan timme för att kontrollera fukthalten och beroende på provernas resultat kan börvärdet bli ett annat. Fukthalten på färdigtorkat spån är av betydelse för pelletens kvalitet, då för blött spån resulterar i att pelleten spricker isär. Vid önskemål om ökad produktion i torken ges en signal till kompressorn att ge högtrycksångan ett högre tryck som i sin tur ger en högre temperatur i torken. Matarskruven tar då emot en signal att öka imatningen av material för att kompensera för en höjd temperatur och mer torkat spån produceras. Beräkningar Data från givare i kombination med andra mätdata är det som ligger till grund för beräkning av nyckeltalen. De mätdata som inte är från givare är data som anställda på anläggningen har fört ned i Excel-blad. Mätdata som är inhämtad från dessa Excel-blad är energiåtgång för hela anläggningen, torrsubstanshalt på utgående material, ton avvattnat och ton producerad pellets. Givare - placering, mätintervall och osäkerheter I olika delar av anläggningen sitter givare som mäter till exempel flöden, tryck och temperaturer. De allra flesta givarna tar ett värde i minuten som registreras men det finns också de som tar ett mätvärde var femte sekund. De givare som var av intresse för detta arbete visas i tabell 1. Data från givarna har gjorts till medelvärden per timme och medelvärden per dygn för att kunna användas i beräkningar. Placeringen av givarna är i de komponenter som de ska mäta. Data från givarna är från perioden september-november

14 Tabell I. Givare använda i detta arbete med deras mätfrekvens, enhet som de mätt i samt mätosäkerhet. Givare Mätintervall Enhet Mätosäkerhet ± % Pluggskruv, ström 1 min A 3 Rivarskiva, effekt 5 s kw 3 Ångkompressor, flöde ut från 1 min ton/h 3 Ångfläkt 1, effekt 5 s MW 3 Ångfläkt 2, effekt 5 s MW 3 Kondensatflöde, flöde vatten som avvattnats 1 min ton/h 0,3-0,5 Ångkompressor, effekt 1 min MW 3 Nyckeltal - begrepp och definitioner Energy efficiency(ee), specific volume(sv) och specific gas consumption(sgc) är några användbara nyckeltal som ofta används i praktiken. EE är kvoten för energi använd till fuktförångning genom total energi till torken, SV är kvoten av torkens volym per materialmängd genom torken och SGC står för flödeshastigheten för torr luft delat på genomströmningen av torrt material (Mujumdar, 1995). Det är inte alltid dessa nyckeltal går att översätta direkt till en specifik anläggning utan de kan ibland behöva modifieras för att passa den data som finns tillgänglig, som i det här fallet när det är ånga istället för torr luft som ingår i SGC. För torkar som använder sig av en värmepumpkrets är det även av intresse att beräkna dess COP som står för coefficient of performance. COP definieras som nyttig energi delat på satsad energi (Cengel & Boles, 2011). I nedanstående definitioner är det ett antal begrepp som kan vara bra att känna till. Torrsubstans(TS) är mängden, i procent, torrt material. Fukthalt är den mängd vatten, i procent, som finns i materialet. Om vetskap finns om materialets fukthalt kan torrsubstansen beräknas med (1). TS fukthalt 100% (1) Uttrycket avvattnat är den mängd vatten som lämnar spånet under torkprocessen och detta flöde beror av fukthalten på inkommande sågspån samt hur mycket spån som matas in. Nedan följer de olika nyckeltalens definitioner. För beräkning av nyckeltalen har data använts från givare placerade i anläggningens olika komponenter. Dessutom har data hämtats från filer som anställda på anläggningen har antecknat. Gällande systemgräns så har (2)-(4) hela anläggningen som systemgräns och resterande har själva torken som systemgräns. Med hela anläggningen avses allt som hör till anläggningen. Energi till torken är energi som krävs för att driva pluggskruv, rivarskiva, två ångfläktar samt kompressorn. Tabell 2 beskriver ingående beteckningar i nedanstående ekvationer. 9

15 Tabell II. Beskriver ingående beteckningar i nedanstående ekvationer. Beteckning Beskrivning Enhet E anl Energi för hela anläggningen MJ E tork Elenergi för torken MWh m TS Massa TS Ton m avv Massa avvattnat Ton m pellets Massa pellets Ton m Massflöde pellets Ton/h pellets Vtork Volym tork m 3 m Massflöde TS kg/s TS Massflöde cirkulationsånga kg/s m c. å h Ångbildningsentalpi kj/kg Qnyttig Genererad värmeenergi kj Wsatsat Tillförd eleffekt till kompressorn kw Energi E m anl TS MJ ton TS (2) Ekvation 2 ger energi krävd till anläggningen i förhållande till hur många ton torrsubstans materialet innehåller. E m anl avvattnat MJ ton avvattnat (3) Ekvation 3 ger energi krävd till anläggningen i förhållande till den mängd vatten som torken klarar att vattna av från spånet. Eanl ton pellets m pellets MJ (4) Ekvation 4 ger energi krävd till anläggningen i förhållande till mängden pellets som producerats. Eleffektivitet E m tork pellets ton pellets MWh* h (5) Ekvation 5 ger ett mått på torkens eleffektivitet. Elförbrukning i förhållande till massflöde pellets. Elförbrukningen är den el som åtgår till att driva pluggskruv, rivarskiva, två ångfläktar samt kompressor. 10

16 Specifik volym (SV) SV V m tork m * s kg 3 pellets (6) Ekvations 6 ger torkens volym i förhållande till massflöde av producerad pellets (Mujumdar, 1995). Torkens volym är här volymen för själva torkstegen. Torkgas (SGC - Specific gas consumption) SGC m c. å kg kg m TS (7) Ekvation 7 ger massflödet av cirkulationsångan i förhållande till massflödet av torrsubstans hos materialet (Mujumdar, 1995). Energieffektivitet (EE energy efficiency) EE m avvattnat % E tork h (8) Ekvation 8 ger mått på energieffektiviteten för torken. Massan för avvattnat multiplicerat med ångbildningsvärmet för vatten, vid det tryck och temperatur som råder i torken, ger den energi som krävs för att förånga vattnet som lämnar spånet (Mujumdar, 1995). Elförbrukningen är den el som åtgår till att driva pluggskruv, rivarskiva, två ångfläktar samt kompressor. Värmefaktor (COP - coefficient of performance) Qnyttig COP [kj värme /kj el ] (9) W satsat Ekvation 9 ger mått på värmepumpkretsens effektivitet. Q nyttig är genererad(nyttig) värmeenergi som fås vid kondensation av högtrycksångan i torkstegen och W satsat är tillförd eleffekt till kompressorn (Cengel & Boles, 2011). Resultat Vid beräkningarna av nyckeltalen fanns det inte tillgång till data enbart från givarna, utan en del data fick hämtas från uppgifter dokumenterade av anställda på anläggningen. Därför kommer en del av nyckeltalen att presenteras med värden dag för dag, medan andra kommer presenteras timme för timme. I figur 7 visas energi/ton där värdena är uträknade dag för dag och gäller för hela anläggningen. 11

17 MWh el*h/ton pellets MJ/ton 6000 Energi/ton energi/ton TS energi/ton avv energi/ton pellets 0 Tid Figur 7. Visar nyckeltalen energi/ton TS, energi/ton avvattnat och energi/ton pellets där värdena är uträknade dag för dag och gäller för hela anläggningen. Luckorna är dagar då torv torkades. De dagar som det är luckor i diagrammet är dagar då torv torkades istället för spån och dessa värden är inte av intresse här. Samma gäller i figur Figur 8 visar eleffektivitet/massflöde pellets och är beräknad dag för dag och har torken som systemgräns Eleffektivitet el-effektivitet Tid Figur 8. Visar torkens eleffektivitet och har torken som systemgräns. Luckorna är dagar då torv torkades. I figur 9 visas nyckeltalet torkgas, även kallat specific gas consumption(sgc). 12

18 m3*s/kg kg/kg 25 Torkgas (SGC) Torkgas (SGC) Tid Figur 9. Visar torkgas(sgc) och är beräknad dag för dag och gäller för torken. Luckorna är dagar då det torkades torv. När torkens SGC skulle beräknas användes ett konstant värde på massflödet av cirkulationsånga, 126 ton/h. Torkens specifika volym(sv) visas i figur Specifik volym (SV) Specifik volym Tid Figur 10. Visar specifik volym och är beräknad dag för dag. Systemgräns är torken och luckorna är dagar då det torkades torv. Torkens energieffektivitet är beräknad timme för timme och visas i figur

19 % Energieffektivitet (EE) Energieffektivitet % Tid Figur 11. Visar torkens energieffektivitet och är beräknad timme för timme. Luckorna är dagar då det torkades torv. Systemgränsen är torken. Medelvärde för energieffektiviteten är 206 %. Torkens COP visas i figur 12, även den är beräknad timme för timme COP COP Tid Figur 12. Visar torkens COP och är beräknad timme för timme. Luckorna är dagar då det torkades torv. För att beräkna torkens COP användes ett konstant värde på massflödet ren ånga ut ur kompressorn, 24 ton/h. Diskussion Det kan vara intressant att titta på diagrammen för att se vilka dagar som värdena på nyckeltalen är höga och/eller låga. Det är då möjligt att gå tillbaka i data och kontrollera vad värdena beror på och på så sätt kan det göras förändringar som leder till ökad produktion eller minskade förluster. 14

20 Att tillverka pellets är en energikrävande uppgift eftersom inkommande sågspån måste torkas innan pelletering. Det finns olika vägar att gå för att minska energiåtgången, bland annat att använda en värmepumpkrets som är fallet för anläggningen i detta arbete. En annan väg är att försöka samla allt på ett ställe, det vill säga att ha torkning av sågspån och pelletering på plats på sågverken, för att minska på transporterna. Vid en första anblick låter det som en bra idé, men vid närmare eftertanke innebär det att en verksamhet som redan kräver stor yta skulle behöva en än större yta. Stora, uppseendeväckande verksamheter brukar inte vara populära bland allmänheten. Om dessa verksamheter skulle gå att förlägga till områden där allmänheten inte skulle bli allt för berörd vore det ett bra alternativ. För anläggningen som studerats i detta arbete skulle det inte innebära en minskad energiåtgång att flytta torkning och pelletering till närmaste sågverk eftersom anläggningen redan finns. Att placera alla processer på samma ställe kan istället vara något att överväga vid nybyggnation. När diagrammen betraktas syns att samtliga som är beräknade dag för dag har liknande utseende, med lika många toppar som dessutom infaller på samma datum. Detta beror på att anläggningen stoppades och sedan startades. Att starta upp anläggningen är energikrävande och produktionen går ned. Om det bortses från topparna följer diagrammen för SGC och SV, figur 9 och 10, en rätlinjig och relativt horisontell linje medan diagrammet för eleffektivitet, figur 8, följer en svagt uppåtgående kurva och diagrammet för energi/ton, figur 7, går först svagt uppåt för att sedan böja av svagt nedåt. Det skulle kunna vara av intresse att utöka dessa diagram med data för en ännu längre period för att se om diagrammens utseenden förändras. Det vore inte helt otroligt att en förändring i nyckeltalens värde, och därmed i diagrammens utseende, skulle inträffa om data togs för en annan period under året än vad som var fallet i denna studie. Här är data från perioden september till november då en viss temperatur råder och en viss mängd spån torkas medan det under andra delar av året är andra förhållanden som råder. När värdena för SGC skulle beräknas behövdes data på massflödet för cirkulationsångan. Dessa data kan tas fram från en fläktkurva för ångfläktarna med hjälp av data från fläktarnas effektgivare. När massflödet togs fram på detta sätt blev det ett högre flöde än vad som var givet som ett ungefärligt värde i dagsläget. Fläktkurvan är från när torken byggdes, och därmed dimensionerad för torv, och är därför inte trovärdig för beräkningar idag. Därför användes det konstanta värdet som var givet som ett faktiskt värde, trots att det inte är ett värde per dag som övriga indata till SGC är. Det vore intressant med en dagsaktuell fläktkurva för att kunna ta fram data dag för dag och på så sätt göra beräkningarna för SGC mer tillförlitliga. Luckorna som syns i diagrammen är dagar då det torkades torv istället för spån. Dagen efter byte av material är värdena på samtliga nyckeltal betydligt högre och om det ska plockas ut specifika värden på nyckeltal bör de tas från ett datum då det inte har skett ett byte från torv till spån. Detta för att det inte ska påverka resultatet, varken positivt eller negativt. Att styra fukthalten på utgående material från torken med hjälp av mätningar av temperaturen på utgående torkmedium ger ett bra resultat på spånets fukthalt, det varierar inom rimliga gränser. Men det är en typ av styrning som tar ett tag att genomföra. Först sker mätningen och sen ska signalen om temperaturen behandlas för att sedan en ny signal skickas som eventuellt ger en förändring. Den eventuella förändringen blir alltså inte omedelbar och detta leder i sin tur till att ett resultat av en krävd förändring inte går att utläsa i nyckeltalens värden den tidpunkt som den första signalen om temperatur sker. Det blir en förskjutning som kan vara bra att känna till om nyckeltalen ska utvärderas med tanke på materialets fukthalt. 15

21 En faktor som kan tänkas påverka nyckeltalen är vilken fukthalt det är på inkommande spån. Liksom ojämn fukthalt på rått biobränsle ger ojämn förbränning och därmed en skiftande, och sämre, verkningsgrad borde en varierande fukthalt på inkommande material i torken ge sämre förutsättningar för torkens effektivitet. Detta eftersom torkens styrning hela tiden behöver jobba för att sänka eller höja till exempel temperaturer. I nyckeltalet för energieffektivitet är flödet för det avvattnade av största betydelse då det är det som förångas och därmed kräver energi. Variationen i detta flöde beror på vilken fukthalt det är på inkommande sågspån samt hur mycket spån som matas in. Det finns en ansenlig variation i detta flöde vilket ger variationen som syns i figur 11 för energieffektiviteten. Alltså är variationen på fukthalten för inkommande sågspån en bidragande faktor till hur värdena på åtminstone energieffektivitetens nyckeltal faller ut. I figur 12 syns variationerna i torkens COP som inte varierar lika mycket som energieffektiviteten. I COP är det flödet av ren högtrycksånga ut ur kompressorn som är av betydelse då det är denna ånga som kondenserar och avger värme till torken. Då värdena på COP inte varierar lika mycket som energieffektivitetens kan de ses som ett bättre mått på torkens effektivitet. Men, i det här fallet har värdena på COP beräknats med ett givet konstant värde då givarna för flödet ut ur kompressorn inte verkade ge korrekta datavärden. Misstankar väcktes redan vid granskning av data från kompressorns givare då det överlag visade på oerhört låga flöden. Dessutom var det emellanåt negativa flöden vilket är orimligt. För att komma upp i sannolika värden på COP behövde värdena multipliceras med cirka 256 och då ligger COP på 5-9 med undantag för de negativa värdena. Vad som är fel är svårt att säga men detta ledde i alla fall till att ett konstant värde på flödet ut ur kompressorn användes eftersom det är ett korrekt värde. Det blir ändå inte helt rätt eftersom andra data är givet timme för timme. Önskvärt vore att utreda orsaken till att givarna visar fel och beräkna om, och det gärna för en ännu längre period då diagrammets utseende, figur 12, följer en nedåtgående trend. Att värdet på COP ligger mellan 5 och 8,5 som beräkningarna med det konstanta värdet på flödet ur kompressorn visar, skulle innebära att torken genererar 5-8,5 gånger den tillsatta energin i kompressorn. Det är ett bra värde på torkens värmepumpkrets. Att COP för en värmepump i ett hushåll ligger på 4-5 säger inte något om vad COP borde ligga på för en tork, men det ger en hint om vad som är rimlig storleksordning. Vid beräkning av vissa nyckeltal användes medelvärden. Pluggskruvens effekt var så pass liten i jämförelse med fläktarna och kompressorn att det användes ett medelvärde för en vecka vid de beräkningar som den ingick i. Detta är inte helt korrekt men ansågs inte spela en avgörande roll på slutresultaten. De förångningsentalpier som ingår i beräkningarna för energieffektivitet och COP varierar med tryck och temperatur. Men då det aldrig överstiger 1 % i skillnad så användes ett medelvärde även för dem. De nyckeltal som har definierats och beräknats är tagna från känd litteratur inom ämnet men även formulerade efter information som fanns om torken. Att formulera egna nyckeltal, eller att formulera om nyckeltal från litteraturen, kan vara nödvändigt för att kunna utnyttja data som finns tillgänglig. För anläggningen i Sveg fanns det till exempel data för hur mycket energi som hela anläggningen förbrukar och det kunde då ställas i relation till mängd torrsubstans, mängd avvattnat och mängd producerad pellets. Utifrån nyckeltal kan sedan en anläggning utvärderas och jämföras med andra anläggningar om deras systemgränser stämmer överens. I detta arbete har det inte gjorts någon jämförelse med andra anläggningar då sådan information inte hittats. 16

22 Slutsats Värdena på energi/ton TS, energi/ton avv och energi/ton pellets ligger mellan cirka MJ/ton, värdena på eleffektiviteten är cirka 7-11 MWh el *h/ton pellets, SGC har värden på kg/kg, SV:s värden är m 3 *s/kg, energieffektivitetens medelvärde är 206 % och slutligen COP som har värden mellan 5-8,5. Förutom dessa värden finns det toppar i samtliga diagram som beror på att torken har stoppats och sedan startats igen vilket kräver extra energi. Referenser Böcker: Gröndahl, F. & Svanström, M. (2010). Hållbar utveckling en introduktion för ingenjörer och andra problemlösare. Stockholm: Liber. Cengel, Y. & Boles, M. (2011). Thermodynamics: an engineering approach. New York: McGraw-Hill. Mujumdar, A. (1995). Handbook of industrial drying. New York: Marcel Dekker Inc. Artiklar: Berghel, J. & Renström, R. (2007). Controllability of product moisture content when nonscreened sawdust is dried in a spouted bed. Drying Technology: An International Journal. Sloth Jensen, A. (2011). Drying in superheated steam under pressure. Fifth Nordic Drying Conference; NDC. Minea, V. (2013). Heat-pump assisted drying recent technological advances and R&D needs. Drying Technology: An International Journal. Wimmerstedt, R. (1999). Recent advances in biofuel drying. Chemical Engineering and Processing. Amos, W. (1998). Report on biomass drying technology. National Renewable Energy Laboratory. Berhel, J. & Renström, R. (2013). Superheated steam drying of sawdust. Biomass and Bioenergy. Olsson, M. (2001). Träpellets som småskaligt biobränsle. Energimyndigheten. 17