Dimensionering av ackumulatortank vid LKABs förädlingsverk i Kiruna

Transkript

1 Dimensionering av ackumulatortank vid LKABs förädlingsverk i Kiruna för uppvärmning av processvatten och minskad oljeanvändning Martin Skogfält Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola

2 Sammanfattning Vid förädling av järnmalm avges stora mängder värme som används till gruvventilation och fjärrvärme. Under perioder med låg last kyls värmen bort. Förädlingsprocessen gynnas av att processvattnet håller en hög och jämn temperatur och under uppstarter tar det lång tid innan vattnet når önskad temperatur. Syftet med studien är att utreda möjligheterna att lagra in spillvärme från avgaspannorna i en ackumulatortank när det finns överskott samt utreda inkopplingsalternativ till respektive förädlingsverk. Vattensystemet i förädlingsverken identifierades och oljeförbrukningen i panncentralerna analyserades. Data samlades in från processprogrammet Aspen Process Explorer och sammanställdes. Ekonomiska beräkningar gjordes utifrån tre möjliga driftsituationer. Resultatet visade att en tank på 4 m 3 har kortast återbetalningstid på 3,4 år och värmen bör tillföras genom värmeväxlat returvatten till flotation och slutseparatorer i KA2 och värmeväxlat klarvatten i KA1.

3 Abstract When iron ore is refined into pellets a large amount of heat is rejected which is used for ventilation to the mine and district heating. During periods of low load, the heat can not be recovered. The refine process works better when the water temperature is high and smooth, and when starting a plant it takes up to five days until the water reach desire temperature. The purpose with this study was to examine the possibilities to store the heat from the exhaust boiler in an accumulator tank and examine different ways to transfer the heat into the water system. The water system in the refining plants was identified. The usage of oil in the district heating system was analysed and data was collected from the software Aspen Process Explorer. Economical calculations were based on three possible operational situations. The result showed that an 4 m 3 tank had the shortest payoff time of 3,4 years. The heat should be transfer by heatexchange the water in the inner water system added to the flotation and the final separating in KA2. In KA1 the heat can be transfer by heatexchange water from the outer water system.

4 Förord Det här examensarbetet är en avslutning på min utbildning till civilingenjör i energiteknik vid Umeå universitet och omfattar 3 högskolepoäng. Det har utförts på uppdrag av LKAB i Kiruna. Jag vill härmed tacka mina handledare Stefan Lahti och Simon Töyrä vid LKAB för stort stöd och vägledning genom arbetets gång samt Robert Eklund vid Umeå universitet som haft goda råd till förfogande vid rapportskrivandet. Jag vill även tacka alla på LKAB som hjälpt mig med uppgifter och viktig information under hösten. Januari 21 Martin Skogfält

5 Förkortningar KA, Kiruna anrikningsverk KK, Kiruna kulsinterverk REV, Cirkulerande returvatten i anrikningsverk och kulsinterverk KLV, Klarvatten (yttre vattensystem) LRV, Lågtrycksreturvatten HRV, Högtrycksreturvatten KP4, Pumpanläggning för klarvatten vid klarningsmagasin KP5, Uppsamlingstank för kylvatten från ställverk, kompressorer och avgaspannor KK17, Panncentral i anslutning till förädlingsverk PC5, Panncentral i anslutning till nya industriområde (NIO). TVAB, Tekniska verken AB (fjärrvärmedistributör)

6 Innehållsförteckning 1 INLEDNING BAKGRUND SYFTE MÅL AVGRÄNSNINGAR METOD ALLMÄNT OM ACKUMULATORER FÖRLUSTER SKIKTNING VERKNINGSGRAD DIMENSIONERING ISOLERING PLACERING OCH INKOPPLING LÅNGTIDSLAGRING FÖRÄDLINGSVERKSAMHETEN I KIRUNA FÖRÄDLINGSPROCESSEN Sovring Anrikning Sintring TIDIGARE PROJEKT INOM LKAB FÖRDELAR MED VARMARE RETURVATTEN BESKRIVNING AV PROCESSVATTENSYSTEM OCH VÄRMESYSTEM YTTRE VATTENSYSTEM INRE VATTENSYSTEM Kulsinterverkens vattensystem Anrikningsverkens vattensystem System med ackumulatortank Temperaturer i processen VÄRMESYSTEMET INKOPPLINGSALTERNATIV MOT PROCESS Alternativ 1 Värmeväxling av returvatten till flotationsspädning Alternativ 2 Värmeväxling av returvatten med delad spädning Alternativ 3 Värmeväxling av kvarnkylningsvatten Alternativ 4 Värmeväxling av klarvatten INKOPPLINGSALTERNATIV MOT VÄRMESYSTEM Inkoppling på avgaspannornas sekundärkrets Inkoppling vid KK SIMULERINGAR OCH BERÄKNINGAR UPPRÄTTHÅLLNING AV RETURVATTENTEMPERATUR I KA Samband mellan tillförd energi och produktion UPPSTART AV KA Energibalanser MINSKAD OLJEANVÄNDNING KOSTNAD FÖR ACKUMULATORTANK KOSTNADER FÖR ANSLUTNINGAR TILL PROCESS OCH FJÄRRVÄRMENÄT LÖNSAMHETSBERÄKNING RESULTAT JÄMFÖRELSE MELLAN INKOPPLINGSALTERNATIV 1 OCH Simulering av uppstart med värmetillförsel under uppstart JÄMFÖRELSE MELLAN UPPVÄRMNINGSALTERNATIV DIMENSIONERING AV VÄRMEVÄXLARE DIMENSIONERING AV ACKUMULATORTANK Tillgänglig spillvärme... 32

7 6.4.2 Ackumulatorstorlek Isoleringstjocklek och form ÖKAD PRODUKTION MINSKAD OLJEANVÄNDNING LÖNSAMHETSBERÄKNING FÖR INKOPPLING AV FJÄRRVÄRMENÄT TILL KA1 ENLIGT MODELL INTÄKTER KÄNSLIGHETSANALYS VATTENKVALITET... 4 DISKUSSION OCH SLUTSATS REFERENSER BILAGA 1 MÄTPUNKTER FRÅN ASPEN PROCESS EXPLORER... 1 BILAGA 2 BERÄKNING AV VATTENVOLYM I KA BILAGA 3 SAMBAND MELLAN TEMPERATURER I PROCESSEN... 3 BILAGA 4 ÅRSVARIATION AV KLARVATTENTEMPERATUR... 3 BILAGA 5 PRODUKTION I KK2 VID UNDERHÅLLSSTOPP I KA BILAGA 6 RETURVATTENTEMPERATURER I KA1 OCH KA BILAGA 7 SPILLVÄRMEÖVERSKOTT... 7

8 1 Inledning LKAB är en internationell mineralkoncern som i huvudsak producerar järnmalm till stålindustrin, men också andra industrimineraler så som magnetit, olivin, glimmer och huntit. LKAB har järnmalmsgruvor och förädlingsverk i Kiruna, Malmberget och Svappavaara, alla belägna i norrbotten, Sverige. 1.1 Bakgrund Vid förädling av järnmalm till pellets genereras stora mängder värme. Värmen tas till vara via tre stycken avgaspannor för att värma upp tilluft till gruvan, varmvatten och lokaler inom företaget samt för försäljning till fjärrvärmedistributör. Produktionen gynnas av att returvattnet håller en hög och jämn temperatur och vid uppstarter av anrikningsverk och kulsinterverk fylls vattensystemet på med kallt klarvatten vilket kan ta cirka 4-5 dagar innan vattnet når önskad temperatur. I Figur 1 kan ses att det finns ett samband mellan produktionstakten och returvattentemperaturen. Vattensystemet innehåller stora mängder vatten och i dagsläget återförs överskottet av värme från avgaspannorna till processen på ett olämpligt ställe. På grund av vattensystemets utformning så har ett av anrikningsverken (KA2) överskott på vatten vilket överförs till det andra anrikningsverket (KA1). När KA2 inte är i drift betyder det att det vatten som vanligtvis överförs mellan verken istället måste ersättas med kallt klarvatten och returvattentemperaturen sjunker drastiskt vilket medför att produktionstakten minskar i KK (t/h) Produktion i KK Returvattentemperatur i KA2 (ºC) Figur 1: Produktionstakten under 2 års tid som funktion av returvattentemperaturen i KA2. Värmeproduktion Värmeproduktionen i avgaspannorna är direkt styrd av pelletsproduktionen och produceras oavsett det finns behov eller inte och därför finns det potential att lagra värme då produktionen är hög och lasten låg. Produktionen av värme i avgaspannorna varierar kraftigt med många stopp på allt från några timmar upp till dagar och när överskottet av spillvärme är lågt måste oljepannor användas för att tillgodose behovet av värme. I Figur 2 illustreras hur oljeanvändningen varierar med den spillvärme som finns i överskott. Nämnas ska också att de nya verken KA3/KK4 har tagits i drift efter denna tidsperiod. Historiska data när alla verk varit i drift är begränsade. 1

9 3 25 Spillvärmetillgänglighet Bortkyld spillvärme Oljeeffekt 2 MW Figur 2: I figuren kan ses att oljeanvändningen i fjärrvärmenätet är styrd av hur mycket spillvärme som finns tillgängligt. Under sommarmånaderna används normalt ingen olja. 1.2 Syfte Syftet med projektet är att utreda möjligheterna att lagra in spillvärme från avgaspannorna när det finns överskott för att sedan användas till att höja returvattentemperaturen i anrikningsoch kulsinterverk samt att minska oljeanvändningen i panncentralerna. 1.3 Mål Målet med projektet är att utifrån värmeproduktion, värmeförbrukning och process, optimera storleken på en ackumulatortank med hänsyn tagen till kostnads- och produktionshöjande aspekter samt identifiera lämplig inkoppling mot process. 1.4 Avgränsningar Denna studie kommer inte att innefatta någon analys av vattensystemen i de nybyggda förädlingsverken KA3 och KK4 eftersom dessa har ett separat vattensystem. Ackumulatorsystemet kommer dock att påverka värmebalansen i deras vattensystem. Ingen närmare studie av värmesystemet kommer att göras, beräkningar grundas endast på oljeförbrukningen i panncentralerna. 1.5 Metod Arbetet påbörjades med att hela vattensystemet identifierades och vattenvolymer bestämdes utifrån företagets ritningar och processbilder från processprogrammet Aspen Process Explorer. Flöden, temperaturer och volymer bestämdes utifrån den valda systemgränsen. Förädlingsprocessen identifierades ur vattenanvändningsaspekter. Effekter från avgaspannor, oljepannor samt försäljningsstatistik för värme samlades in. Inkopplingsmöjligheterna identifierades och olika vattentyper analyserades. Energibalanser användes för att ta reda på hur stora energimängder som krävs för att höja temperaturen på returvattnet för olika uppvärmningsalternativ. Microsoft Excel har använts för att göra beräkningar och utifrån det komma fram till en lämplig ackumulatorvolym utifrån ekonomiska-, och energiaspekter. Payoff metoden användes för att jämföra olika alternativ. 2

10 2 Allmänt om ackumulatorer Det finns två huvudtyper av ackumulatortankar, den ena typen är den trycksatta tanken. Detta innebär att vatten kan lagras vid en högre temperatur än 1 C. Kapaciteten i den här typen av tankar blir högre per volymsenhet, men på grund av stora påfrestningar på konstruktionen så blir den även dyrare. I små system kan den dock vara mer lönsam när spillvärme finns tillgängligt vid en högre temperatur än 1 C. Trycksatta ackumulatortankar är begränsade till en maximal storlek på 8m 3 vid 16 bars tryck 1. En annan nackdel med en trycksatt tank är att den höga temperaturen medför större värmeförluster. Den andra typen är den trycklösa tanken. I den råder det atmosfärstryck i toppen av tanken. Ekonomisk är den här typen av tankar oftast ett bättre alternativ eftersom den är billigare per volymsenhet. För fjärrvärmenätets del kan även tanken användas som expansionskärl och tryckhållare om den är dimensionerad efter nätets trycknivå. 2.1 Förluster Förluster hos en ackumulatortank består av energiförluster genom tankens väggar och lock samt genom exergiförluster i form av värmeledning från det varma till det kalla vattnet. Väggarna i en ackumulatortank består av ungefär mm godstjocklek stål och ett lager isolering av mineralull 2. I Figur 3 visas en tankvägg i genomskärning där olika radier som används i ekvation 2 presenteras. Isoleringstjockleken som väljs skiljer sig från fall till fall. Energiförlusterna genom tankens väggar beräknas enligt formeln: Tack Tomg Q = (1) R total där T ack T omg R total = medeltemperaturen i ackumulatortanken, ºC. = omgivningstemperaturen, ºC. = värmeresistansen genom tankens väggar, ºC/W. Den totala värmeresistansen beräknas genom summan av delresistanserna genom konvektion från vattnet till väggen och från väggen till omgivande luft samt värmeledningen genom materialet i väggen vilket ger ekvation 2. Formler och data nedan är hämtade från Heat and Mass transfer, A practical approach 3 : R total = + h A h i i u 1 A u ln r2 r1 ln r3 r π H k 2 π H k 1 2 stål isolering (2) där h i = 8 W/m 2,ºC. A = invändig area, m 2. i h = 1 W/m 2,ºC. u A u = utvändig area, m 2. H = tankhöjd, m. k = 45,3 W/m,ºC. stål k =,46 W/m,ºC. isolering 3

11 Figur 3: Tankvägg i genomskärning. 2.2 Skiktning För att få ut maximalt av energimängden i ackumulatortank används skiktningsprincipen. Det innebär att ett så tunt skikt som möjligt försöker åstadkommas mellan det varma vattnet högst upp och det kallare vattnet i botten. Oavsett om ingen cirkulation finns i vattnet så kommer skiktningen att växa till sig med tiden på grund av vattnets ledningsförmåga. Skiktets tjocklek är per definition den sträcka där 8 % av temperaturdifferensen återfinns. Det finns olika metoder för att minska utbredningen av skiktet. En metod är att öka förhållande mellan höjd och diameter vilket gör att man minskar volymen som innefattas inom skiktet. Om tanken ofta laddas ur helt så har höjd/diameter-förhållndet (H/D) mindre betydelse. En annan metod är att dimensionera dysor och rör så att cirkulation undviks vid i-, och urladdning. Dysornas funktion är att fördela det inkommande vattnet på så stor yta som möjligt för att minska inloppshastigheten Verkningsgrad Verkningsgraden betecknas som maximal uttagbar energi dividerat med tillförd energi. Första termen i ekvationen nedan betecknar värmeledningen genom väggarna och den andra delen betecknar förluster i skiktets utbredning. Förklaringar av beteckningar finns illustrerade i Figur 4. Eut k A Cskikt η = = 1 ( Tmedel Tomg ) τ + ( Tv Tk ) (3) Ein Ein Ein där η = verkningsgrad. E ut = maximal uttagbar energi, J E in = tillförd energi, J. k = värmegenomgångskoefficient, W/m,ºC. A = area mot omgivning, m 2. T = medeltemperatur i tanken, ºC. T medel omg = omgivningstemperatur, ºC. τ = tid mellan laddning och urladdning, h. C = värmekapacitet i skiktet, J/ºC. skikt T = temperatur på varma sidan om skiktet, ºC. v T = temperatur på kalla sidan om skiktet, ºC. k 4

12 Figur 4: Förklaringar av beteckningar. Faktorer som påverkar verkningsgraden och därmed förlusterna till omgivningen är: Isoleringstjocklek Förhållandet mellan yta och volym Temperaturnivå Tid mellan laddning och urladdning Gränskiktet mellan varm och kall sida 2.4 Dimensionering Storleken på tanken styrs av tre parametrar: hur mycket energi som behöver tillföras till returvattnet för att hålla en viss temperatur, utnyttjandegrad av ackumulator till fjärrvärmenätet och tillgängligheten av spillvärme. Energimängden samt temperaturintervallet mellan varm och kall sida bestämmer hur stor den aktiva volymen som ackumulatortanken skall vara enligt ekvation 4 nedan: Q = V ρ C T (4) aktiv p där Q = lagrad energimängd, J. V aktiv = aktiv volym, m 3. ρ = densitet för vatten, kg/m 3. C p = värmekapacitet för vatten. J/kg,ºC. T = temperaturskillnad mellan varm och kall sida, ºC. När den önskade volymen på tanken är känd så ska tankens form väljas. Tidigare nämndes att H/D förhållande är viktigt för minska volymen som inkluderas i gränsskiktet mellan kallt och varmt vatten. Det är inte bara det som avgör vilken form tanken skall ha, H/D=1 ger ett minimum vad gäller yta/volyms-förhållande. Om ytor mot omgivningsluften istället analyseras så ligger ett optimum på H/D=,5 vilket också ger minskade påfrestningar på konstruktionen 1. En annan motivering till denna dimensionering är att marken under tanken fungerar som isolerskikt och att den lägsta temperaturen återfinns längst ned i tanken vilket gör att energiförlusten där blir mindre. En annan parameter som måste tas hänsyn till är den döda volymen som blir i botten och strax över och under ytan. Hänsyn bör också tas till den volymökning som sker när vattnet värms upp, särskilt om den används som expansionskärl. Den verkliga volymen blir således aningen större än den volym som räknats fram vid dimensioneringen. 5

13 2.5 Isolering Isolering av tanken är viktig för att minska energiförlusterna. Beroende på tankstorlek så varierar den optimala isoleringstjockleken utifrån kostnadssynpunkt. För små tankar ligger den på runt 1-2 mm och 3-5 mm för större tankar 1. Viktigt är också att isolera inkommande röranslutningar inuti ackumulatortanken för att förhindra strömningar och exergiförluster till det kallare vattnet. Isoleringen består oftast av mineralull eller skum som placeras utanför ståltanken med en skyddande aluminiumplåt längst ut Placering och inkoppling Normalt så placeras en ackumulatortank i anslutning till ett kraftvärmeverk för att minska behovet av att spetskraft används samt optimera produktionen i kraftvärmeverk. Eftersom så inte är fallet vid denna applikation så kommer andra metoder att tillämpas. Underlag för inkoppling kommer att vara användningsområdets placering geografiskt samt vilka temperaturer och tryckförhållanden som råder i nätet som tanken skall anslutas till. Beroende på tankens höjd och nätets tryck så kommer eventuellt pumpar och reducerventiler att krävas. Inkoppling kommer dels att ske mot värmeproduktion och mot process. Inkopplingen är viktig för att ackumulatortanken ska kunna utnyttjas optimalt Långtidslagring En ackumulatortank som används i kombination med ett kraftvärmeverk har syftet att minska lastbyten och jämna ut dygnsvariationen i produktionsanläggningen där produktionsanläggningen styrs efter lasten. Om en ackumulatortank används för att lagra spillvärme där produktionsanläggningen inte styrs efter värmelasten så kan värmelagringen variera från timmar upp till dagar och någon vecka. Med detta som grund bör dimensioneringen övervägas med tanke på isolering och form. Skiktningen i tanken men även ytor mot omgivning och därmed värmeförluster beror på H/D förhållandet. Ett optimalt H/Dförhållande ur värmeförlustsynpunkt ger en större skiktningsarea och större exergiförluster. Om ackumulatortanken däremot laddas ur helt när den används så hinner inte lagret växa till sig. 6

14 3 Förädlingsverksamheten i Kiruna I Kiruna finns det tre stycken anrikningsverk samt tre stycken kulsinterverk vilket illustreras i ett översiktligt processchema i figuren nedan. Varje anrikningsverk levererar i huvudsak gods till varsitt kulsinterverk. Processerna i samtliga anläggningar ser ungefär likadana ut. LKAB har liknande anläggningar i Svappavaara och i Malmberget där det också finns en gruva. 3.1 Förädlingsprocessen Förädlingsprocessen sker i huvudsakligen i tre steg: sovring, anrikning och sintring. Varje huvudsteg består i sin tur av ett antal delsteg. I denna rapport beskrivs endast de delar i processen som påverkas av returvattentemperaturen. Figuren nedan visar processens huvudsteg, godsvägar samt avgränsningen för projektet. Figur 5: Översiktsbild över förädlingsprocessen i Kiruna där den streckade linjen är systemgräns för projektet Sovring Sovring är det första steget i förädlingsprocessen efter uppfodring från gruvan. Där grovsepareras järnmalmen från gråberg samt krossas och sorteras utifrån storlek och fördelas sedan vidare till de olika anrikningsverken. Sovringen ligger utanför ramarna för det här projektet och beskrivs inte något närmare Anrikning Anrikningsprocessen består av ett antal delprocesser: primärmalning, primärseparering, sekundärmalning, förseparering, flotation och slutseparering. De olika stegen finns illustrerade i Figur 6. Malning Kvarnar används för att mala ned malmen till önskad partikelstorlek. Vid malningen tillsätts en stor mängd vatten som gör att malmen i kombination med vattnet bildar en flytande massa som kallas slig. Efter primärmalningen pumpas sligen vidare till skruvklasserare och det gods som fortfarande är för stort återgår till primärmalningen och resterande går vidare till primärseparering. I primärsepareringen avskiljs en del av gråberget som följt med från 7

15 gruvan. Efter primärsepareringen mals sligen ännu en gång i sekundärmalningen och avskiljs efter storlek i cykloner. För stort gods går i retur till sekundärmalningen. Malningen kräver stora mängder energi i form av el och den största delen av energin övergår till returvattnet 4. I KA2 finns två kvarnsektioner medan KA1 har tre kvarnsektioner. Förseparering Eftersom malmen i Kirunagruvan består av magnetit så används magnetseparering. Förenklat kan det beskrivas som snurrande magnetiska trummor som tar med sig malmen ett halvt varv medan gråberget som inte är magnetiskt faller ner i en avfallsränna tillsammans med returvatten. Innan försepareringen späds sligen till 3 vikts-% fast och lämnar trumman med en koncentration på 7 vikts-% fast 4. Flotation I flotationssteget separeras apatit, fosfor samt andra mineraler från malmen. Fosfor sitter bundet i apatiten. Detta sker genom att olika reagenser tillsätts sligen i fyra stycken blandartankar. Luft tillförs i ett antal flotationsceller och fosfor och andra icke önskvärda mineraler som är hydrofobiska fäster på luftbubblorna som flyter upp till ytan och separeras från malmen som sjunker och går vidare till slutsepareringen. Behovet av reagenser skiftar med fosforhalten i malmen och temperaturen på returvattnet. Variationer gör att det ibland tillsätts för mycket reagenser vilket resulterar i att det följer med koncentratet vidare till pelletstillverkningen. Flotationssteget i anrikningsverket är beroende av en viss temperatur på returvattnet för att fungera bra. Den kritiska temperaturen ligger på ungefär 15 C 5 men bör konstant ligga över 2 C och gynnas av att ligga på en högre temperatur. Exakt vilken temperatur som är den mest gynnsamma är oklart. Slutseparering Sista steget innan sligen lämnar anrikningsverket är två stycken slutseparatorer som fungerar likadant som förseparatorerna där koncentratet späds till 3 vikts-% innan varje steg. Från slutsepareringen går koncentratet vidare till slurrytanken i kulsinterverket. Figur 6: Processflödesschema över anrikningsverk 2 8

16 3.1.3 Sintring I kulsinterverken som också är slutsteget i förädlingsprocessen tillverkas järnmalmspellets för vidare transport med tåg och båt till stålverk. Pelleteringsprocessens första steg efter slurrytanken är filtrering, där avvattnas koncentratet för att komma ner till en fukthalt på drygt 9 %. Bindemedel blandas med det filtrerade koncentratet och går vidare till rullkretsar och rulltrummor där råkulan bildas. Det här steget är det känsligaste för restreagenser i koncentratet som följer med från anrikningsverken eftersom restreagenser gör att kulan tappar i hållfasthet8. Råkulorna går sedan in i graten där de värms upp i fyra olika steg med återvunnen luft från kylaren. Vattnet i kulorna förångas och oxidationen från magnetit till hematit påbörjas. I nästa steg hettas kulorna upp till cirka 125ºC i en roterande ugn för att de skall få en tillräcklig hållfasthet för att klara av långa transporter. Oxidationsprocessen är exoterm och det medför att ungefär 6 % av värmen i ugnen kommer från kulorna själva6. Resterande energi tillförs via kol och olja. Därefter passerar de kylaren och kyls ner till under 5ºC. Värmen som avges från kulorna i kylaren återvinns etappvis i graten. Processen i kulsinterverket finns illustrerad i Figur 7. Figur 7: Processflödesschema över KK3 3.2 Tidigare projekt inom LKAB LKAB i Svappavaara I Svappavaara byggdes år 21 en avgaspanna för att kunna kyla ner rökgaserna från kulsinterverket. Värmen från avgaspannan används till uppvärmning av lokaler och resterande effekt återförs till processen. Studier visar att produktionen höjdes med 3,5 ton/ºc och timme efter installationen inom temperaturintervallet 2-28ºC7. Vid uppstart når temperaturen snabbt önskad nivå. 9

17 LKAB i Malmberget I Malmberget pågår ett projekt där det eftersträvas att producera 9 miljoner ton/år. Metoden är att öka temperaturen på returvattnet. Studier därifrån visar att produktionen ökat med 7-8 ton/ºc och timme. Processen i Malmberget ser dock inte likadan ut som i Kiruna Fördelar med varmare returvatten Varmare returvatten ger högre slurrytemperatur vilket också ger en högre temperatur på filtrerad slig och därmed varmare råkulor 8. Studier visar att reagenser som följer med från flotationen till kulsinterverken bidrar till en försämrad hållfasthet och kvalité på råkulan så att andelen ton som siktas av och går i retur ökar vilket i sin tur sänker produktionskapaciteten. Ytspänningen på vattnet minskar med ökad temperatur och detta ger en indikation på att partiklarna adsorberar mindre reagenser 9. Förbrukningen av kol och olja minskar med varmare råkulor eftersom kondensationen på råkulebädden i graten minskar vilket i sin tur ger en minskad deformation av bädden. Värmeväxlarytorna blir då större och det gynnar oxidationen 8. Till följd av att deformationen av råkulebädden minskar så minskar också gasmotståndet och därmed elförbrukningen 8. Viskositeten minskar med temperaturen från 1-4ºC och detta ger ett ökat järnutbyte vid den våta magnetsepareringen 8. 1

18 4 Beskrivning av returvattensystem och värmesystem Det finns olika typer av vatten som inkluderas under benämningen processvatten. I det här projektet kommer endast klarvatten och returvatten att diskuteras. Returvattentemperaturen bör inte blandas ihop med fjärrvärmereturen som är två olika saker. Vattensystemet i förädlingsverken består av ett inre och ett yttre vattensystem vilket illustreras överskådligt i Figur 8 nedan. I förädlingsverken används stora mängder vatten. För varje ton järnmalm som produceras så cirkulerar mellan 1-15m 3 vatten. För att göra detta hållbart ur vattensynpunkt så finns det förtjockare till respektive verk. I förtjockarna renas vattnet från slam och gör det möjligt att använda vattnet i processen igen. Detta vatten kallas returvatten (REV). Figur 8: Illustration över yttre och inre vattensystem. Källa: LKABs årsredovisning 4.1 Yttre vattensystem Från avfallsrännor och förtjockarnas underlopp rinner vatten ner till sandmagasin för att sedimenteras, vattnet går sedan vidare ner till klarningsmagasinet där ytterliggare slam sedimenteras. Från klarningsmagasinet pumpas vatten tillbaka till förädlingsverken samtidigt som en del av vattnet rinner ut till närliggande vattendrag. Klarvattnet har en årsmedeltemperatur på 9 C som under vintern sjunker ner mot 2-3 C. Klarvattnet är det processvatten som är renast och innehåller minst partiklar. 4.2 Inre vattensystem Vattensystemet i KA1 och KA2 kan betraktas som två separata där KA2 också förser KK2 och KK3 med returvatten. Systemen är anslutna till varandra via en ledning där överskottet från KA2s returvattensystem överförs till KA1 enligt Figur 9. Via KP5 som är en uppsamlingsreservoar för uppvärmt klarvatten från avgaspannornas nödkylsystem samt vatten från ställverkskylning och kompressorkylning kan KA2 få tillskott av varmare vatten om behov finns. I dagsläget prioriteras KA3 med vatten från KP5. Systemet fungerar inte fullt ut eftersom vattnet i KP5 har lägre temperatur än returvattnet. KA3 och KK4 innefattas inte i detta projekt, men kommer indirekt påverkas i och med att kylvattnet från avgaspannorna istället kommer att användas för att ladda ackumulatortanken. I dagsläget har dessa verk problem med att hålla returvattentemperaturen jämn på grund av 11

19 olika anledningar och är då i behov av att varmare vatten tillförs 17. Detta problem kommer troligen att åtgärdas genom interna lösningar vilket gör att denna överskottsvärme kan utnyttjas bättre i KA1 och KA2. Vattensystemets mest betydande delar ur volymsynpunkt är tre stycken förtjockare där returvattnet får sedimentera. De rymmer för KA2s del ungefär 22 7 m 3 vilket utgör ungefär 83 % av den totala vattenvolymen. Förtjockaren i KA1 rymmer ungefär 7 m 3. Temperaturen ligger normalt mellan 2 35 C beroende på årstid. På grund av att vattensystemet innehåller stora mängder vatten tar det vid uppstarter efter längre stopp lång tid innan önskad temperatur uppnås. Vid långa stopp töms dessutom systemet delvis på vatten och måste fyllas på med klarvatten. I dagens returvattensystem finns ingen möjlighet till tillförsel av högvärdig värme. Vattnet värms i huvudsak upp via malningen i anrikningsverken och våtscrubbrarna i KK3. Värme tillförs också från nödkylsystemet i KK2s avgaspanna eftersom pumparna inte är tillräckliga för att föra upp det till KP5. En försumbar del av värmeenergin tillförs från kylning av kvarnmotorer. Majoriteten av förlusterna i systemet sker genom användningen av klarvatten, men även en betydande del försvinner från de uteliggande sedimenteringsbassängerna. Figur 9: Principiell skiss över det inre vattensystemet Kulsinterverkens vattensystem I ett av kulsinterverken (KK3) används lågtrycksreturvatten (LRV) till våtscrubbrar för att rena rökgaserna från stoft. Våtscrubbrarna sänker temperaturen på rökgaserna och tillför returvattnet ungefär 1-15 MW som sedan förs till kulsinterverkens gemensamma avfallspumpstation. I det andra kulsinterverket (KK2) används klarvatten till vakuumpumpar i filtreringen vilket sänker temperaturen på det gemensamma vattnet från avfallspumpstationen. När stopp inträffar i KK3 kommer ingen värme att tillföras från våtscrubbrarna till returvattnet och temperaturen i förtjockarna börjar sjunka. Stopp av KK2 påverkar enbart tillförseln av värme till värmesystemet. Från avfallspumpstationen pumpas returvattnet till 12

20 förtjockarna i KA2s vattensystem. I kulsinterverken används även klarvatten till kylning av avgaspannor vid låg värmelast Anrikningsverkens vattensystem Under förtjockarna i KA2 finns åtta stycken pumpar som är reglerade för att upprätthålla tryck i returvattentanken i KA2. Detta tryck skall vara högre än trycket i KA1s vattensystem för att förhindra att detta töms på vatten. KA1 matas med returvatten från en egen förtjockare (51). Från förtjockarna 52 och 53 går även högtrycks- och lågtrycksvatten till kulsinterverken. Flödet in till KA2 från förtjockare 53 och 52 ligger mellan 8 9 m 3 /h vid normal drift och delas upp i olika förgreningar. Majoriteten av flödet används till kvarnar och separatorer och endast 3-4 m 3 /h används som spädvatten till flotationen. Klarvatten från högreservoarer används till kylning av kvarnar och påfyllning av returvattensystem om behov finns. Returvattentemperaturen i KA1 ökas genom att vatten förs över genom den kommunicerande ledningen från KA2. Returvattentemperatur i KA1 ligger normalt högre än i KA System med ackumulatortank Med en ackumulatortank i systemet kommer möjligheten att när det finns överskott av spillvärme lagra in denna. Den kan sedan användas på två sätt, antingen värms returvattnet upp via en värmeväxlare eller så kompletteras en stående avgaspanna för att minska spetsoljeeldningen. Det kommer även att finnas möjlighet att vid låga temperaturer på returvattnet på vintern använda olja för att få upp returvattentemperaturen. Vattensystemet kan betraktas som en förbrukare som belastar fjärrvärmenätet. På detta sätt så kan returvattentemperaturen regleras Temperaturer i processen Temperaturen på sligen varierar genom hela processen. Temperaturmätningar saknas, men genom att studera spädningen av returvatten i de olika stegen kan en uppskattning ändå göras för att säga vilken temperatur sligen har. Efter kvarnarna är temperaturen som högst eftersom största delen av värmetillskottet sker i detta steg. I förseparatorerna späds sligen med returvatten i flera steg och ligger 3-5ºC högre än returvattnet i flotationssteget. Efter flotationen späds sligen ytterliggare två gånger och sligens temperatur ligger något högre än returvattnet. Temperaturen på koncentratet som lämnar anrikningsverket benämns slurrytemperatur och det är den som avgör produktionsökningen i kulsinterverk. Produktionstakten i anrikningsverk är inte beroende av returvattentemperaturen, men gynnas av att hålla en hög och jämn temperatur kvalitetsmässigt vilket i sin tur gynnar produktionen i kulsinterverk. Temperaturen på vattnet från avfallspumpstationen sänker temperaturen på returvattnet. Om KK3 inte är i drift vilket betyder att ingen värme kommer från våtscrubbrarna så sänks temperaturen på vattnet från avfallspumpstationen drastiskt. 4.3 Värmesystemet LKAB har ett eget fjärrvärmenät med en maximal värmeproduktion från avgaspannor som är 63 MW. Alla kulsinterverk har varsin avgaspanna där rökgaserna från den varmaste zonen i graten kyls. I varje avgaspanna finns det en fjärrvärmeväxlare och ett nödkylsystem som används när värmebehovet är litet eftersom rökgaserna alltid måste kylas till ungefär 14 C. Nätet är uppdelat i två sektioner vilka förbinds med hjälp av avgaspannornas sekundärkrets vilket illustreras i Figur 12. Det är därför inte möjligt att distribuera värme från den ena delen till det andra utan värme kan endast fördelas från avgaspannorna beroende på hur behovet ser 13

21 ut. Båda delsystemen har därför oljepannor som kan täcka upp när avgaspannor faller bort eller när det är kallt ute. 4.4 Inkopplingsalternativ mot process I dagsläget tillförs överskottet av värme från avgaspannorna på ett olämpligt ställe vilket beskrevs i 4.2. För att göra uppvärmningen så effektiv som möjligt så bör värmen tillföras i de känsligaste delarna av processen. Sligen i anrikningsverket späds med returvatten och avvattnas om vartannat i separatorerna. För att åstadkomma en så hög temperatur i flotation och på råkula så bör värmen tillföras så sent som möjligt i anrikningens process. Därför ligger fokus på att det varma vattnet skall tillföras till de känsliga och slutliga stegen i anrikningsverken som är flotationen och slutseparatorerna. Alternativen nedan utgår alla från att värmen tillförs innan flotation och för alternativ två även i slutseparatorerna. Det som skiljer inkopplingsalternativen åt är i stora drag vilket vatten som värmeväxlas och dessa skulle i praktiken kunna användas parallellt Alternativ 1 Värmeväxling av returvatten till flotationsspädning Returvatten tillförs på flera ställen för sänka andelen fast gods i sligen vilket kan ses i Figur 1. Första spädningen sker innan blandartankarna där koncentratet går från 68 vikts-% fast till 52 vikts-% fast. Andra spädningen i flotationen sänker koncentrationen till 45 vikts-% fast. Efter flotationscellerna späds vattnet ytterligare till 3 vikts-% i två steg. Med det här alternativet kommer sligen att kylas ner i slutseparatorerna och slurrytemperaturen ökas inte förrän temperaturen på returvattnet har höjts. Figur 1: Schematisk bild över inkopplingsalternativ 1 där varmt vatten tillförs i fördelaren innan flotationens blandartankar och tredje blandartanken Alternativ 2 Värmeväxling av returvatten med delad spädning Efter flotationssteget går koncentratet till slutseparatorer där ytterligare separering av gråberg sker. Det sker i två steg där koncentratet innan varje separator späds till 3 vikts-% fast gods. Vid uppvärmning av endast flotationssteget kommer temperaturen att öka i flotationen men eftersom koncentratet späds med returvatten som inte har blivit uppvärmt så kommer koncentratet till slurrytanken att ha en betydligt lägre temperatur än i flotationssteget. För att 14

22 snabbare få upp temperaturen på slurryn så kan det uppvärmda returvattnet därför delas och fördelas mellan flotationen och det sista spädningssteget vid slutseparatorerna enligt Figur 11. Figur 11: Schematisk bild över inkopplingsalternativ 2 där varmt returvatten tillförs processen i flotationen och innan slutseparatorerna Alternativ 3 Värmeväxling av kvarnkylningsvatten Klarvattnet som kyler kvarnarnas motorer och växellådor höjs med 5-1ºC. Vid kylningen skulle potentiellt kunna användas för att tillföra värme till processen. Nackdelen är att flödet i detta vatten inte är stabilt och varierar beroende på verkens driftsituation och därmed kvarnarnas kylbehov. Dessutom så är kylningen lägst under vintermånaderna när returvattnet är i störst behov av värmetillskott. En ledning kan även kopplas förbi kvarnarnas kylsystem så att systemet kan användas även om flödet genom kvarnarna är litet. Detta medför dock en risk, eftersom stabiliteten påverkar kvarnarnas kylsystem. Enligt ritning får heller inte avstick göras från denna ledning. Det begränsade flödet i alternativ 3 gör att effekten som kan tillföras blir begränsad. Detta system finns enbart i KA2, kvarnarna i KA1 är luftkylda Alternativ 4 Värmeväxling av klarvatten Det säkraste alternativet ur såväl tekniska aspekter som processaspekter är sätta in ett nytt klarvattenflöde. Flödet kan sedan regleras utifrån vilken temperatur som önskas i flotationen och beroende på vilket verk som är i behov av värme. Detta stör inte heller kvarnarnas kylsystem på något sätt. En nackdel med det här alternativet är att överskottet av vatten ökar i KA2. I KA1 råder det alltid ett underskott på vatten eftersom returvattensystemet i KA1 inte får något tillskott av klarvatten från kulsinterverk. 4.5 Inkopplingsalternativ mot värmesystem Avgaspannorna har en gemensam sekundärkrets med en temperatur på omkring 12 C, denna krets fördelar värme till panncentralerna PC5 och KK17 enligt figuren nedan. Värmen distribueras sedan vidare till fjärrvärmenätets olika delar. 15

23 KA1 KA2 Alt. placering ack.tank KK17 Värme till förädlingsverk och gruvventilation KA3 Värme till kontor, nya industriområde samt till TVAB PC5 Alt. placering ack.tank KK4 AP4 KK3 KK2 AP2 Figur 12: Översiktbild över värmeproduktion. Figuren är inte proportionerlig. PC5 ligger ungefär 1,2 km från KK Inkoppling på avgaspannornas sekundärkrets Temperaturen i systemet ligger runt 12 C och det innebär antingen att en trycksatt tank kopplas in eller att vattnet späds med fjärrvärmereturen för att inte överstiga 1 C. Fördelen med att ha tanken inkopplad parallellt med avgaspannorna är att den kan leverera värme till båda panncentralerna. Nackdelen är att temperaturen i kretsen sjunker vid urladdning vilket gör att temperaturen i undercentralerna också blir lägre Inkoppling vid KK17 Panncentralen ligger geografiskt nära de båda verken. Vid KK17 värmeväxlas vattnet mot ytterligare ett undersystem där trycket är 1 bar och framledningstemperaturen ligger strax över 1 C vilket innebär att vattnet måste spädas med fjärrvärmeretur även här för att inte temperaturen skall överstiga 1 C. I båda fallen måste reducerventiler och pumpar användas för att höja respektive sänka trycket vid i-, och urladdning. AP3 16

24 5 Simuleringar och beräkningar Beräkningarna har gjorts utifrån ett ekonomiskt perspektiv och därför kommer enbart samband som direkt kan påvisa en ekonomisk intäkt att tas med. Till grund ligger produktionsökningar i studier som gjorts tidigare och data från anläggningarna. Lönsamheten är beroende av marknadsläget och råvarupriserna på stål, olja och järnmalm. Därför kommer en känslighetsanalys att göras med rimliga variationer under de kommande åren. Samband mellan minskad energianvändning och en högre returvattentemperatur är svår att finna och kan därför bara ses som indirekt intäkt. Lönsamheten är också beroende av driften i de olika verken, vilken ser olika ut från år till år förutom underhållsstopp som alla verken har en gång per år. Underhållsstoppen inträffar också under olika årstider, vilka har en avgörande effekt på grund av variationen i klarvattentemperatur under året. Det finns två olika typer av stopp, varmstopp och kallstopp. Underhållsstopp är av typen kallstopp och det innebär att alla maskiner stannas och systemet töms på vatten. Efter ett sådant stopp startas anrikningsverk före kulsinterverkverk och därför kan ingen direkt intäkt beräknas utifrån dessa eftersom returvattentemperaturen nått önskad nivå när kulsinterverk startas. Vid beräkningar av lönsamhet kan intäkt räknas från tre olika ändamål vilka är följande: upprätthållning av temperatur i KA1 när KA2 har underhållsstopp eller av annan orsak har stopp under längre tid vilket ger ökad produktion minskad oljeeldning i värmesystemet vid driftstopp i någon av avgaspannorna eller låg utomhustemperatur snabbare ökning av returvattentemperaturen vid uppstart efter ett stopp i KA2 med ökad produktion som följd 5.1 Upprätthållning av returvattentemperatur i KA1 Eftersom vattensystemet i KA1 är mycket mindre än KA2 så är det också mycket känsligare för variationer. När KA2/KK3 har underhållsstopp kan inget vatten föras via de ledningar som finns mellan verken. Därför sjunker temperaturen snabbt till ungefär 15ºC om stoppet inte inträffar under sommaren då klarvattentemperaturen är högre. Sänkningen av returvattentemperatur gör att produktionen i KK2 sjunker vilket kan ses i Figur 13. Anledningen till att temperaturen sjunker är att den mängd vatten som KA1 får från KA2 måste ersättas med klarvatten som har en mycket lägre temperatur. För att upprätthålla temperaturen i KA1 måste klarvattnet värmas upp till motsvarande den temperatur returvattnet har som vanligtvis kommer från KA2. Vattenbalansen för KA1 går inte bestämma på samma sätt som för KA2 eftersom det saknas flödesmätning på inkommande vatten från KA2 och temperatur-, och flödesmätning på vatten som går till sandmagasin. En approximation har därför gjorts genom att analysera hur klarvattenbehovet förändras när KA2 stoppas. Detta ger att vattenmängden som överförs mellan verken ligger på ungefär 6 m 3 /h. 17

25 Produktion i KK2 vid stopp i KA2/KK3 ton/h ºC Produktion KK2 Produktion KA2 Returtemperatur KA Figur 13: Produktionstakt i KK2 och KA2 samt returvattentemperatur i KA1 under ett underhållsstopp i KA2 månadsskiftet mars/april. Enligt data som illustreras i Figur 13 kan ett samband för hur mycket produktionen sjunker när returvattentemperaturen sjunker. Värden är hämtade under en månads tid både före och efter stoppet. I Figur 14 kan sambandet ses mellan produktion i KK2 och returvattentemperatur. Produktionssänkningen ligger på 6,4 ton/ºc och timme. Sänkan i produktionen i slutet av stoppet har troligtvis orsakats av annans störning och har ingenting med returvattentemperaturen att göra och är därför korrigerad från regressionen av produktionsberoendet. Enligt en muntlig kontakt sänker KK2 sin produktion med 7-8 ton/timme när KA2 har underhållsstopp 7. Produktionen i KK2 beroende av returvattentemperaturen y = 6,433x + 356,7 R 2 =,6365 ton/h ºC Figur 14: Samband mellan produktion i KK2 och returvattentemperatur. 18

26 5.1.1 Samband mellan tillförd energi och produktion Värmeförlusterna i systemet består till största delen av skillnaden mellan klarvattentemperaturen och avfall till sandmagasin. Eftersom ingen temperaturmätning finns på detta flöde så antas avfallsvattnet ha samma temperatur som returvattnet. Den energi som tillförs returvattnet är proportionell mot produktionsökningen och sambandet följer enligt: Y,5 V 447 (5) prod, KA1 = ack där Y prod.ka1 = Ökad produktion i KA1 under stopp i KA, ton. V ack = Ackumulatorvolym, m 3. Energimängden som krävs för hålla en viss temperatur är beräknad med en noggrannhet på dygn. I detta fall har en maxgräns på upprätthållning till 25ºC satts eftersom temperaturökningar på returvattentemperaturer över 25ºC inte är lika tydliga att urskilja samt att systemet vanligtvis ligger på ungefär 25ºC. 5.2 Uppstart av KA2 Nedan illustreras samband mellan returvattentemperatur och produktion i KA2 och KK3 under två uppstarter. Figur 15 illustrerar en uppstart efter ett oplanerat stopp i februari, medan Figur 16 visar en uppstart efter ett underhållsstopp där sliglager i kulsinterverk töms. Därför startas anrikningsverk före kulsinterverk för att fylla på lagren i kulsinterverk. Det är också anledningen till att returvattentemperaturen höjts till närmare 3ºC innan kulsinterverk startas i det andra fallet. Enligt Figur 15 finns ett tydligt samband mellan returvattentemperatur och produktion i pelletsverken. Det tar cirka 5 timmar innan produktionen kommer upp 6 ton/h jämfört med 1-2 timmar när returvattentemperaturen är hög från start. Den här tendensen är inte verifierad utan kan bero på andra orsaker. Produktionsökningen har beräknats genom skillnaden mellan beräknad slurrytemperatur och den verkliga slurrytemperaturen. Värmeförlusten som ökar till följd av temperaturökningen är svår att beräkna teoretiskt och har bestämts experimentellt. Uppstart av KA2/KK3 ton/h timmar ºC Produktion KK3 Produktion KA2 Returtemperatur Figur 15: Produktionen i KA2 och KK3 under ett uppstartstillfälle i februari 26. Produktionen uppnår 6 t/h efter cirka 5 timmar. 19

27 Uppstart i KA2/KK3 ton/h ºC Produktion KK3 Produktion KA2 Returtemperatur timmar Figur 16: Produktion i KA2 och KK3 samt returvattentemperatur under uppstart efter underhållsstopp i oktober 28. Vid uppstart av anrikningsverk och kulsinterverk finns det två metoder att värma upp vattensystemet: Förvärmning av vattensystem Hela vattensystemet värms upp till önskad temperatur innan malningen startar. Detta sker i så fall i kombination med att vattensystemet fylls på. I dagsläget sker detta med klarvatten. Sommartid finns det alltid tillgång till spillvärme och systemet kan därför spetsas direkt med 5ºC vatten från avgaspannornas nödkylsystem. Vatten från gruvan som håller en högre temperatur än klarvattnet kan även användas för att fylla på systemet. Under vintern går periodvis all värme åt till värmesystemet och speciellt när ett verk skall startas så finns det ingen värme från nödkylsystemet till tillhörande avgaspanna. Uppvärmning under uppstart Värme tillförs under uppstart i de känsligaste delarna i processen och minskar successivt tills det att hela vattensystemet kommit upp i önskad temperatur. När temperaturen höjs på ingående koncentrat till kulsinterverket så kan en teoretisk produktionsökning beräknas. Med bakgrund av projektet i Svappavaara där temperaturen höjdes på returvattnet registrerades en produktionsökning med 3,5 ton/ºc och timme så har ett samband mellan ackumulatorvolym och ökad produktion tagits fram. Ökad produktion är beräknad på 116 timmar från uppstart, vilket är den tid det tar för vattensystemet att komma upp i maximal temperatur. Sambandet mellan ökad produktion och ackumulatorvolym följer enligt: Y,73 V 65 (6) prod, KA2 = ack + där Y prod,ka2 = ökad produktion i KA2 vid uppstart, ton. V ack =Ackumulatorvolym, m Energibalanser För att beräkna hur mycket energi som måste tillföras för att processen ska ha uppnå x grader så har energibalanser ställts upp över flotationen och slutsepareringen. 2

28 Flotation Energibalansen i flotationen är uppställd så att en önskad referenstemperatur väljs i fördelningssteget. Beroende på ingående godstemperatur, vilken antas vara densamma som returvattentemperaturen samt godsflödet så kommer inspädningen av uppvärmt returvatten ändras så att ingående effekt jämviktas mot den energi som motsvarar en sänkning av den valda referenstemperaturen: Q Q = (7) in + ut För att beräkna vilken energi som krävs för att hålla den önskade flotationstemperaturen T fl måste energin som saknas i varje tidpunkt bestämmas utifrån den momentana produktionen. På grund av trögheter i systemet så beräknas temperaturen med en noggrannhet på timmar. Till flotationen kommer tre flöden enligt Figur 1: Godsflöde från kvarnar och förseparering. Spädvatten till fördelare innan blandartankar som späder koncentratet från 68v-% fast till 52v-% fast Spädvatten till tredje blandartank som späder koncentratet från 52v-% fast till 45v-% fast Energiunderskottet i godsflödet beräknas enligt: Q gods = M C T T ) + M C ( T T ) (8) H ( 2O, gods p, H 2 O REV _ k fl gods p, Fe REV _ k fl Energiunderskottet i spädvattnet beräknas enligt: Q där REV = V ρ C T T ) (9) REV M H, ( 2O p H 2O REV _ k fl H2 O, gods REV k = massflöde vatten i koncentratet, ton/h. T _ = temperaturen på det kalla returvattnet, ºC. M gods = massflöde gods, ton/h. T fl = flotationstemperatur, ºC. V REV C C p, H2O p, Fe = totalt spädvattenflöde, m 3 /h. = värmekapacitet för vatten, M J/kg, ºC. = värmekapacitet för järn, MJ/kg, ºC. ρ H2O =densitet för vatten, kg/m 3. Den totala effekten som måste tillföras enligt ekvation 8 och 9 blir således: Q = ( Q + Q ) (1) in REV gods Slutseparatorer Slutseparering sker enligt Figur 11 i två steg där koncentratet späds till 3 vikts-% fast innan båda stegen. För att höja temperaturen på slurryn är det lämpligt att värme tillförs efter det första steget. I det första steget späds koncentratet från 45 vikts-% fast och i det andra steget från 7 vikts-% fast vilket betyder att en större andel vatten tillsätts innan det andra steget. 21

29 Det är också i det flödet som det gör störst skillnad att tillföra värme eftersom vatten lämnar koncentratet efter varje separationssteg. För att beräkna energin som behövs för att höja temperaturen på utgående koncentrat från anrikningsanläggningen måste först en balans över det första separatorsteget beräknas där en temperatursänkning av koncentratet sker eftersom kallt returvatten används till spädningen. Temperaturen beräknas ur följande energibalans: Q gods + Q = (11) REV där Q = M C T T ) + M C ( T T ) (12) Q gods REV H 2O, gods p, H 2 O ( fl 1 gods p, Fe fl 1 = V ρ C ( T ) 1 (13) REV H 2O p, H 2O REV _ k T T 1 = temperatur efter första separatorsteget, ºC. Effekten som krävs för att ge önskad temperatur på utgående koncentrat beräknas utifrån underskottet från koncentratet efter spädningen innan andra separatorsteget: Q Q där gods REV = M C T T ) + M C ( T T ) (14) H ( 2O, gods p, H2 O 1 sl gods p, Fe 1 sl = V ρ C T T ) (15) REV H, ( 2O p H 2O 1 sl T sl = önskad slurrytemperatur, ºC. Energin som krävs för att höja temperaturen på utgående koncentrat innan andra slutseparatorn beräknas enligt energibalansen: Q = ( Q + Q ) (16) in REV gods System Tillförd energi: Q = V ρ C ( T T ) (17) REV REV H2O p, H2O REV, uppvärmt REV Qkv = Vkv ρh2o C p, H ( ) 2O Tkv Tklv (18) Q = V ρ ( T T ) + ( V V ) ρ C ( T T ) (19) kk klv, kk H2O apstn klv tot, kk klv, kk H2O p, H2O apstn REV Q = Uppvärmning genom malning och vattencirkulation, MW. int där Q REV V T REV = tillförd effekt, MW = uppvärmt returvattenflöde, m 3 /h. REV, uppvärmt T REV = temperatur på uppvärmt returvatten, ºC. = returvattentemperatur, ºC. Q = effekt från kvarnkylning, MW. kv V =kylvattenflöde från kvarnar, m 3 /h. kv T = utgående kylvattentemperatur från kvarkylning, ºC. T kv klv = klarvattentemperatur, ºC. Q =tillförd effekt från kulsinterverk, MW. kk 22