Tørring og procesopvarmning med IR-brændere. Notat Marts 2000

Transkript

1 Tørring og procesopvarmning med IR-brændere Notat Marts 2000

2 DGC-notat Teknologistatus marts /8 Tørring og procesopvarmning med IR-brændere Asger N. Myken Baggrund Der findes talrige eksempler på, at der kan opnås væsentlige energibesparelser ved anvendelse af gasfyrede IR-brændere (infrarød stråling) til en række processer. Det gælder fx tørring og procesopvarmning, og typiske energibesparelser ligger i intervallet 5-30%. Desuden kan CO 2 -emissionen og det primære energiforbrug reduceres ved konvertering fra el-opvarmede til gasfyrede IR-paneler. Anvendelsesområde og begrænsninger Infrarød stråling er særdeles effektiv til opvarmning og tørring af en række emner. Sammenlignet med en almindelig konvektiv tørreproces, kan der opnås en meget intens og effektiv varmeoverførsel med gasfyrede IRpaneler. Metoden er dog begrænset til processer med emner, som er karakteriseret ved at have store flader, lav emnetykkelse og simple geometrier. Det skyldes, at IR-strålingen bevæger sig direkte fra brænderoverfladen til emnet, og dermed kun rammer de flader, som er synlige fra brænderen. Endvidere er IR-brændere begrænset til lavtemperaturprocesser, dvs. med en maksimal procestemperatur på ca. 400 C, da effektiviteten falder ved højere temperaturer. Nedenfor er angivet eksempler på processer, som IR-brændere kan anvendes til: Tørring Papir Tekstiler Gipsplader Loftsplader Fødevarer Spejle Vådlakering Fejl! Ukendt argument for parameter

3 DGC-notat Teknologistatus marts /8 Træ Opvarmning Pulverlakering Betonelementer Optøning af fødevarer Støbeforme og hjælpeudstyr til støbeprocesser Afisning af fx togvogne og flyvinger Bilruder (forud for formgivning) Termoformgivning af plastemner Fødevareproduktion Bagning Stegning Grilning Overfladebehandling, hærdning Vulkanisering af fx gulvtæpper Behandling af glaspærer Limning Udbredelse Gasfyret IR er generelt ikke særlig udbredt i Danmark. De primære årsager hertil vurderes at være - prisen - at hvert enkelt IR-installation kræver en individuel dimensionering - manglen på referenceanlæg og erfaringer fra Danmark. Der findes ikke nogen systematisk undersøgelse af udbredelsen, men i tabel 1 er vist skønnede værdier for en række anvendelsesområder.

4 DGC-notat Teknologistatus marts /8 Elektrisk IR Gasfyret IR Papirtørring 4 ref GWh/år ca. 7 GWh/år (1 installation) ref. 2 Møbelindustrien, tørring Tørring af byggeelementer 11 ref. 1 GWh/år Flere installationer ref.2 Lakering Flere installationer - Tekstiltørring < 1 ref. 3 GWh/år Ingen ref. 3 Plastic termoformgivning > ca. 40 GWh/år - Tabel 1. Vurdering af udbredelsen af IR i en række processer. Potentiale Det er vanskeligt at fastlægge anvendelsespotentialet på baggrund af de foreliggende oplysninger, som i visse tilfælde afviger markant fra hinanden. Baseret på erfaringer fra en række europæiske lande er det samlede potentiale for IR-anvendelse (gas+el) vurderet til ca. 600 GWh/år. I de pågældende lande er hovedparten (op til 90%) dog typisk el-baseret, men der forekommer store variationer, hvilket bl.a. skyldes forskellige prisforhold mellem naturgas og elektricitet. Da forholdet mellem energiprisen for elektricitet og naturgas er forholdsvist stort i Danmark, kan man forvente en større andel af gasbaseret IR end 10%. Et potentiale mellem GWh/år vurderes derfor at være et konservativt skøn. Mulighederne for anvendelse af gasfyret IR i tekstilindustrien er tidligere undersøgt ref. 3,4. Potentialet i tekstilindustrien vurderes at være ca GWh. I Energistyrelsen s Teknologikatalog ref. 5 vurderes, at 10% af industriens varmeforbrug til tørring kan etableres med IR-teknologi med direkte brændselsanvendelse, dvs. gasfyret IR. Det svarer til ca. 660 GWh/år, alene til tørring. Teknisk beskrivelse Figur 1 viser den principielle opbygning af en gasfyret IR-brænder. En forblandet gas/luft-blanding ledes ind i et fordelingskammer, hvorefter den strømmer gennem en porøs matrix. Forbrændingen stabiliseres i de yderste

5 DGC-notat Teknologistatus marts /8 millimeter af brændermaterialet, og brænderoverfladen opvarmes til mellem C, og udsender derfor termisk stråling i det infrarøde område. Brænderoverfladen er rødlig ved denne temperatur. Det er altså selve brænderen, samt de varme røggasser, som udsender strålingen, i modsætning til fx gasfyrede strålerør, hvor strålingen overføres indirekte til processen. Porøst brændermateriale Premixet gas/luftblanding Infrarød stråling Figur Fejl! Ukendt argument for parameter.. Princip for gasfyret IR-brænder. Gassen forbrændes i princippet fuldstændigt inde i brændermaterialet, og der er således ingen, eller kun små, synlige flammer. Brænderoverfladen virker som flammeholder, fordi der trækkes energi ud af forbrændingszonen. Forbrændingstemperaturen er derfor relativ lav, hvilket betyder, at NO x -emissionerne fra denne type brænder også er lave. Typisk udsendes mellem 30-50% af den indfyrede effekt som infrarød stråling, mens resten af energien er indholdt i de varme røggasser. Selv om røggasserne eventuelt også bidrager til opvarmnings- eller tørreprocessen, er det dog oftest nødvendigt at udnytte røggassernes energiindhold for at opnå en tilfredsstillende totalvirkningsgrad. I mange processer indgår en IRsektion i kombination med en anden gasfyret delproces, fx en konvektiv tørresektion, hvori røggasserne fra IR-panelerne kan udnyttes.

6 DGC-notat Teknologistatus marts /8 Strålingen fra IR-panelet overføres direkte til emnet og vandindholdet (ved tørreprocesser) i dette, og der er dermed tale om en effektiv og indirekte proces (ingen røggaskontakt). Ofte bidrager røggasserne fra brænderne dog også til processen. IR-stråling er en meget intensiv energioverførsel sammenlignet med konvektiv opvarmning, og der kan derfor konstrueres meget kompakte IRsektioner. Derfor er det ofte muligt at etablere IR-sektioner i, eller i forbindelse med, eksisterende produktionsudstyr. Som følge af den intensive opvarmning og tørring kan produktionshastigheden ofte øges væsentligt ved anvendelse af IR-tørring. Dermed opnås også en indirekte forbedring af energieffektiviteten, idet tab, som er forholdsvis uafhængige af produktionshastigheden (overfladetab fra produktionsudstyr, distributionstab, opstartsog tomgangstab osv.), dermed udgør et mindre energiforbrug pr. produceret enhed. Miljøforhold Anvendelse af gasfyrede IR-paneler medfører ofte en reduktion af energiforbruget for den pågældende proces. Dermed opnås en tilsvarende reduktion i emissionen af CO 2 og andre skadelige komponenter. Der kan endvidere opnås en reduktion af processens miljøbelastning ved brændselssubstitution, ved konvertering fra el-baseret IR til gasfyrede IR-paneler. Overfladebrænderens forbrændingsprincip betyder, at flammetemperaturen er lav i forhold til traditionelle brændere. Dermed opnås særdeles lave NO x - emissioner, og emissionerne af CO og uforbrændte kulbrinter er også lave. Økonomi IR-anlæggene designes til den aktuelle anvendelse, og det er dermed ikke muligt at angive nogle generelle prisniveauer for disse brændere. Sammenlignet med traditionelle gasbrændere er IR-brændere dog ofte dyrere. Da der ofte opnås en energibesparelse ved anvendelse af IR-paneler, kan der på grund af besparelsen i energiomkostninger dog tit opnås acceptable tilbagebetalingstider for en investering i IR-paneler.

7 DGC-notat Teknologistatus marts /8 Leverandører Der findes en lang række leverandører af gasfyrede IR-paneler, hvoraf nogle er specialiserede i IR-udstyr, mens andre har dette som en del af et bredt udstyrsprogram. I det følgende er nævnt nogle eksempler, og desuden findes der en god liste over leverandører på den følgende Internet-hjemmeside: Stordy Combustion Engineering B.V. Sælger bl.a. gas- og oliebrændere til industrielle processer, herunder IRbrændere. Jolweg KR Rijsenhout The Netherlands Telefon: Telefax: [email protected] Babcock Textilmaschinen Gmbh Procesudstyr til tekstilindustrien, herunder IR-fortørringsenheder. Postfach 3148 D Seevetal Germany Telefon: + 49 (04105) 8110 Telefax: + 49 (04105) Babcock Textilmaschinen s danske agent er: Niese kemi & teknik Aps Carit Etlars vej 20 DK-7330 Brande Telefon: Telefax: [email protected]

8 DGC-notat Teknologistatus marts /8 N.V. Acotech S.A. Producent af metalfibre og IR-brændere. Designer og producerer brændere til forskellige processer. Bekaertstraat 2 B-8550 Zwevegen Belgium Telefon: +32-(0) Telefax: +32-(0) Dutch Oven Systems Komplette ovne og tørremaskiner, forskellige processer. Graafschapsstraat Ge Buren The Netherlands Telefon: Telefax: Vulcan Catalytic Systems Ltd. Katalytiske IR-brændere, tekstil, termoformgivning (plast). Post Office Box 855 Portsmouth, RI USA Telefon: / Telefax: [email protected] GoGas Goch GmbH & Co Rumopvarmning og industrielle processer. Postfach Dortmund Germany Telefon: +49-(02 31) Telefax: +49-(02 31) [email protected]

9 DGC-notat Teknologistatus marts /8 Referencer Ref. 1. Johansson, M. et al.: Kortlægning af energiforbruget. Dansk Energi Analyse A/S, Ref. 2. Andersen, P., Myken, A.N.: Energiforbrug ved fremstilling af papir hos Skjern Papirfabrik. Dansk Gasteknisk Center a/s, november Ref. 3. Myken, A.N.: IR tørring af tekstilbaner. Dansk Gasteknisk Center a/s, maj Ref. 4. IR tørring af tekstilbaner. Brochure nr Dansk Gasteknisk Center a/s, Ref. 5. Teknologikatalog energibesparelser i erhvervslivet. Energistyrelsen, Ref. 6. Madsen, O.H., Myken, A.N.: Naturgasfyret IR-booster. Dansk Gasteknisk Center a/s, november Ref. 7. Myken, A.N.: Infrared Burner Technology Improves Process Efficiency and Capacity. IEA International Conference on Natural Gas Technologies. A Driving Force for Market Development. Berlin, September Ref. 8. Myken, A.N.; Rasmussen, N.B.K.; van der Drift, B.: Use of High Efficiency Radiant Burners can Save Energy and/or Improve Product Quality. 20th World Gas Conference, Copenhagen, June Ref. 9. Pettersson, M.: Heat Transfer and Energy Efficiency in Infrared Paper Dryers. Department of Chemical Engineering 1, Lund University, Sverige. November 1999.