VE til proces. Mogens Weel. TI den 27/11 & 3/ mwh@weel-sandvig.dk

Transkript

1 VE til proces Mogens Weel TI den 27/11 & 3/

2 Weel & Sandvig Energi og procesinnovation Mindre firma specialiceret inden for procesoptimering Lokalitet : Scion DTU Main product and services: Simulatore til WTE, biomasse & termiske kraftværker Performance Monitoring systemer til gas- & dampturbiner Preditive emissions monitorering til gasturbiner og kedelanlæg. Nye energikoncepter & Proces Integration HEX optimering Kunder PEMS & Performance Monitoring: Oil & Gas industri ( Oxy, Gasco, Bunduq, Saudi Aramco, Hess, Dong) Simulatore: Vattenfall, Vestforbrænding, Amagerforbr., TAS, Ege, BW-Volund, Sønderborg KVV etc Energy opti: Novozymes, statoil, Dong, Topsøe, Novo Nordisk, CPKelco, Junckers, Ardagh glas, DEA (Energinet.dk, etc) 2

3 3

4 VE til process: Biobrændsel varmepumper- energibesparelser? Hvad er resourcebehovet ved de forskellige teknologier: Typisk vil en varmepumpe kunne have en energieffektivitet på mellen % Pris for CO2 reduktion v.h.a. varmepumper er ofte langt under 300 kr/ton CO2. Den Relative marginale CO2-reduktion fra anvendelse af primært brændsel ved anvendelse af el til Varmepumper ved forskellige teknologi scenarier er vist I tabel nedenfor når det antages at el produceret på kraftværk kan anvendes I en lokal varmepumpe med en COP-værdi på 5 (industri COP = 5 8, Bolig COP = 2,5-5). Kraftværk Kraftværk Kraftværk Kraftværk Decentralt kraftværk kul, Kraftværk kul & gas, gas, bio, bio, kraftværk bio, Simpel Energibes kondens Fjernvarme kondens Fjernvarme kondens Fjernvarme Fjernvarme kedel, bio Vind/Sol parelser Elvirkningsgrad Varmevirkningsgrad Q_brændsel GJ EL GJ Fjenvarme 90 C Netto fjernvarme (20 % tab) VP (COP=5) Total varmeenergi, 5 % tab i elnet Total CO2_netto, varme kg nytte energi, GJ CO2 besparelse i kg per GJ varme CO2 reduktion i % CO2 reduktion per GJ brændsel

5 Dampflow ton(h Omstilling til biobrændsel: VE til Proces: Bio brændsel Biokedel (træflis) med lager m.m.: 5-6 mio. Kr/MWth Bio kraftvarme (træflis) m. Lager m.m: 7 10 mio. Kr/MWth Temperatur behov? Damp eller varmt vand (hedt vand) Dampstabilitet? Korttids forbrugsmønstre, hvor hurtig kan kedlen regulere. Drifttid gerne > 5000 eq. fuldlasttimer Biobrændsel er pladskrævende m.m Assens anlægsstabilitet 1 minutes middelværdier, Jan 2003 Design flow 21,2 kg/s (110 % MCR) Tid minutter

6 VE til proces: Varmepumper Høj temperatur Undersøgelse viser at industien kan dække ca. 20 PJ procesvarme med varmepumper i temperatur intervallet fra C med et temperaturløft mellem 20 og 70 C. Er der varmepumper som kan dække behovet for temperaturer over 100 C? Typisk vil man bruge vanddamp Højtryksblæsere: dt= 5 15 C Kapsel blæse: dt= C Skruekompressorer: dt= C Turbokompressorer: dt= C 6

7 Kompressor typer Stempel (fortrængning) Arbejde = PdV Typisk 1500 RPM Stempel hast. 3-8 m/s Skrue (fortrængning) Arbejde = PdV Typisk RPM Rotor tipspeed m/s Turbo kompressor (Dynamisk) Arbejde = U*(Cϴ2 - Cϴ1 ) Typisk RPM afhængig af slagvolumen Rotor Tipspeed m/s 7

8 Typisk slagvolumen for forskellige kompressortyper til varmepumper og opnåelige kompressorvirkningsgrader Axial compressors: FAN:1700 m3/s, Pr=1,5 Core: 188 M3/s, Pr=42 Eta_pol= 0,90 Stempel kompressor Skruekompressor, tør Skruekompressor, våd Turbokompressor (radial) Isentrop 0,80 0,70 0,80 0,70-0,82 virkningsgrad Varmevirkningsgrad 0,95 0,97 0,8 0,99 Kompressorvirkning 0,76 0,8 0,64 0,69-0,81 sgrad Typisk tryk forhold 2,5-12 2,5-10 2,5-12 1,5-3 (vanddamp) ή kompressor = ή isentrop_målt* ή varmevirkningsgrad = W isentrop /W målt 8

9 . Kompressortyper til højtemperatur varmepumper Demand: Inlet pressure bara ( C) Pressure ratio 5 8 (Temperature lift K for drying applications) Suction (Swept) Volume m3/h (heat effect = V [m3/h]*pin* 0.5) Piston Compressor Screw Compressor, dry Screw Compressor, wet 9 Turbokompresso r (radial) Isentropic efficiency 0,80 0,70 0,80 0,70-0,82 Heat efficiency 0,95 0,97 0,8 0,99 Compressor efficiency Eta_is 0,76 0,68 0,64 0,69-0,81 *Eta_heat Typically pressure ratio one stage 2,5-12 2,5-10 2,5 12 1,5-3 (water vapor one stage) Weight, kg (Suction volume m3/h) ( 12 x rotrex with friction gear Operating envelope Good Good Good medium (Modular concept good) Axial compressors: FAN:1700 m3/s, Pr=1,5 Core: 188 M3/s, Pr=42 Eta_pol= 0,90

10 Hvilken varmekilde kan vi bruge til varmepumpen og ved hvilken temperatur skal varmen leveres? COP-værdi Varmekilder: Luft: ( C) Jordvarme (5 C): Spildevand (12 C): EL Varmebehov: Procesvarme > C Fjernvarme system (35 80 C), nogen op til 130 C Grundvand (8 C): Røggaskondensering (30 55 C): Overskudvarme køleanlæg (25 35) Fjernvarme (35 90 C, typisk): Overskudvarme fra industi ( C): COP-værdi som funktion af temperaturløft og fordampertemperatur fordamp temp 0 C fordamp temp 20 C fordamp temp 40 C fordamp temp 60 C fordamp temp 60 C Temperaturløft K

11 Temp. C Typiske Varmekilder til varmepumper til process eller fjernvarme: Fugtig luft fra industielle tørre-processer og røggas Typisk C: Varme fra køleprocesser (typisk C) F.eks. Fra køling af Bioreaktorer varmeeffekt som funktion af Temperatur og dukpunkt for fugtig luft med et vanddampflow på 1 kg/s Røggas x (kg H2O/kg tør luft) x (kg H2O/kg tør luft) x (kg H2O/kg tør luft) x (kg H2O/kg tør luft) x (kg H2O/kg tør luft) x (kg H2O/kg tør luft) 40 Industrien bruger ca 87 PJ brændsel til Procesopvarmning Næsten alt (undtagen kemisk bunden er tilgængelig som Sensibel eller latent overskudvarme Varme Effekt KW 11

12 procesvarme eksempler Vanddamp som arbejdsmedium Temperaturområde: 70 C til 180 C. En undersøgelse viser at 24 % (20 PJ) af Industien procesenergiforbrug vil kunne dækkes af varmepumper med en COP-værdi på 4,4 i temperaturområdet C Eksempel : trætørring: Varmepumpe som opvarmer luften I tørrekammeret Trætørringskammer Brygerier og malterier. Fødevareindusti med kogeprocesser etc. Destillations anlæg. Inddampningsanlæg( fx.gylleinddampning). Tørre processer (). Autoklave, sterilisation. Slagterier, fisk & ben mel etc Example: Trætørring ved tørring I overhedet damp v.h.a en varmepumpe Trætørringskammer Hjælpebrænder (opstart) Overskudsdamp 1 bara Overhedet damp ved svagt overtryk ift. omgivelser Kondensator Fugtig afkast Tdug=68.9 C Massestrøm=10 kg/s T_evap=62 C Varme VP = 446 kw COP VP = 4.0 Varm tørreluft 109 C T_cond=116C Overrislet kondensator til overskudsdamp Recirkulering af damp til genoverhedning Sugetryk 0.9 bara Opstartsdamp 1 bara til fortrængning af luft (kun under opstart) Blæser Fordamper Højhastighedsdrev Kondensat El=110 kw 2.5 bara Turbokompressor: VP kreds: COP mellem 7 og 8 Kompressor PR=8.1 Damp HT Kondensat recirkulering Kondensat, 98 C Ekspansionsventil Kondensat, 2.4 bara Vand/damp Expansionsventil Vand HT 12

13 Eksempel på anvendelse af højtempetur varmepumpe for en Super heated steam dryer application Super heated steam belt dryer balance of plant PET food drying plant IN[kW] Closed cycle Heat Pump Drying effect = Out [kw] falsh air kw Error % m_air Heat Loss= Purge Feed 50 kw p 1 1 p 1 t t 75 m_steam dm frac 2.45 h TS 0.7 x (kg h2o/kg air) h Dryer p 1 p t 155 p p t m_steam t 160 t m h m HEX h h condensate p 1 Pr= steam t 120 m KOm pres sor dm frac kw h stage COP_VP= p M kw t p p 1 m t t 120 h m_steam Fan m_steam M Cirkulating fan t

14 Kredsprocesberegning for Varmepumpe til Overhedet damp tørring (to trin, samlet temperatur løft= 64 K) H2O_heat pump Steam drying plant IF97 DT_heatpump [K]= m= p 6.5 t h t_ind t_ud s Pow hs= Q_heat [kw] M Eta_is= 0.79 p= Pr= t= Pow_M h kw p= s t= t_sat= x 0 h= s= Pr_total= mv_frac= V= M3/s ml_frac= m= OPTIMIZE p ή_motor*ή_gear= 0.94 p= t t= h= h s= s Pow h_vapor M hs= x= Eta_is= 0.79 Pow_M Pr= dt= kw Heat 1499 kw Power total kw COP_heat= m= COP_cool= p 0.9 Eta_Carnot= p= t t= h m massflow [kg/s] h s p Pressure [bara] s V= M3/s t temperature [C] x= EVAP h Enthalpy [kj/kg] s entropy [kj/kgc] Q_evap x steam quality V volume flow [M3/s] Scion-DTU, Diplomvej building 377 t_ind t= 2800 Lyngby, Denmark Phone: mwh@weel-sandvig.dk Air frac

15 Turbokompressor til vanddamp kompression Slagvolumen 0,3 0,4 M3/s, Trykforhold 2 3 per trin (temperturløft C) Ved en fordampertemperatur på 80 C, svarer det til en varmeeffekt på 270 kw. Parallel Configuration (1-stages, capacity) & seriel Configuration (Multi stages, Pressure ratio) Seriel Configuration (Multi stages Compression) with equal type Compressor. 1 generation: Remtræk & friktionsgear 2 generation: Højhastigheds motor & friktionsgear 15

16 Construction of the drive and connection Haldor Topsøe (Bjarne Sørensen) in Cooperation With Weel & Sandvig. 16

17 Images of Compresser operating at an industiel test installation at Haldor Topsoe A/S 17

18 Inddampningsanlæg Ombygning of 4- trins einddampningsanlæg med termokompression til MVR i 2 x 2 konfiguration Inddamper TRIN1 TRIN2 TRIN3 TRIN Driftsøkonomi ved ombygning af TVR inddamper til Rotrex-baseret MVR på H. Topsøe inddamper Forudsætninger: TVR MVR 2 x 2 Årlig driftstid 5000 timer Dampforbrug kg/s Brændværdi af naturgas 11 kwh/nm3 Elforbrug 0.23 MW Koncentration Koncentration Frac GÆT Densitet Rho kg/m Energibalance Damp kw Total Error^2 Virkningsgrad dampkedel 0.9 COP ift TVR 6.0 Koncentration Varmebehov dampproduktion Koncentrations fejl Error 2.5Frac MJ/kg 4.84E E E E-02 Varmetab til omgivelser kw Pris for naturgas Varmetabskoefficient kr/nm3 Årlig energiforbrug Varmetabet beregnes som forskel mellem til omgivelsernes damp temperatur og slurrytemperatur multipliceret med varmetabskoefficient* MWh UA design^0.5. Omgivelsers temp C Der tages ikke hvert trin som følge af kogepunktforhøjelsen. Koefficient for kogepunktsøgning: Kogepunktsøgning beregnes som: Pris for el Tkog_koeff 32.0 C/100% 650 kr/mwh konc*tkog_koeff hensyn til en overhedning af det afdampede på Årlig elforbrug 1150 MWh e Koefficient er fra arket "Kogepunktsforh" Udgift til gas Mio.kr./år Udgift til el Mio.kr./år Vedligehold af kompressor Mio.kr./år Samlet driftsudgift Mio.kr./år Besparelse ved ombygn. til MVR Mio.kr./år Anslået investering til kompressorer og ombygning af inddamper inkl. SRO: Mio. kr. Tilbagebetalingstid (simpel) År 18 TVR-Evaporator Dampflow 0.05 kg/s 0.55 Kompressor:beregning Ejektor skallering Ejektorberegninger Drivdamptryk 0.98 bar (p_t) IF97 Solver celle 0.33 Off-design massetryk eksponent Damptemperatur (mættet) C h1= 7.48 Estimeret trykforholdsfaktor h2s= Solverens objektfunkt Massetryk forhold = Aktuelt / Akt. design Skaleringsfaktorer af sugeside og s= Akt. design mt*p_t*p_s/ms Massetryk design drivdampdyse bør være nogenlunde Ejektor performance 0.00 Eta_comp= 0.75 Variabel input celle Aktuelt mt*p_t*p_s/ms Massetryk akt ens i størrelse! Designskalering kapacitet 1.05 sugeside h2= Skalerings input 1.74 Trykforhold design OBS Ejektorens evne til at virke ved et Shaft pow compressor Designskalering kapacitet 1.00 drivdampdyse Performance Ejektor aktuel designdata Modeldesign andet sugetryk bør justeres i arket: kw M Ejektor massestrøm sugeside kg/s "Ejector performance" Husk at "solve" Reference sugeflow kg/s kw flow= 1.30 Reference sugetryk bar Pow Compressor kw Fra anden inddamper modellen efter justering! Flow 0.01 kg/s Referenceflow kg/s Hvis < 0 ingen ejector Koncentration 0.39 frac Referencetryk bar Fødeflow 3.89 kg/s Modtryk ejektor 1.74 bar Temp C Reference modtryk bar Temperatur C Sugetryk ejektor bar Off-design "trottling ejektor": p_t ca. 2 (for damp) Ok! / p_s < Tryk 4.00 Bar Tryk før ventil bar 1 < p_d / p_s < 2.0 : Maks trykforhold på 2 er Ejekt teori gældende! Entalpi kj/kg Position 100.0% 7.5 < p_t / p_s < Trykforhold uden for gyldighedsområde! : Koncentration Energibalance ejektor Koncentration Entalpi drivdamp 2674 kj/kg Overhedningsvarme 0.00 kw kw Entalpisugeside 2687 kj/kg Dampflow ind på trin 1.35 kg/s kg/s Entalpi blanding 2878 kj/kg Damptryk (p_d) 1.74 Bar Damptemperatur C Kølevand ud T_sat_water C Temp C Kondensator Dampudtag fødeforvarmning kg/s Kølevand ind Flow kg/s 1.01 kg/s Temp C Produktflow til næste trin kg/s 2.44 kg/s 0.99 kg/s 1.00 kg/s C UA design 50 kw/c ved 1 bar damp Temperatur af inddampet produkt C C C C Design flow kg/s 4.24 kg/s C UA 48 kw/c Kondensat DT Chen C Fødetemperatur DTin C C DTud C Forvarme temperatur C C C C C forvarmning 5.00 C UA balance 3331 kw DTmin Energibalance -16 kw Error kw Specifik varmefylde for tørstof (Cp) 1.00 kj/kgc skal de Densitet af tørstof 1661 kg/m3 Aktuel U*A kw/k Ejektor: Design (100 C vand) UA design vand kw/k Kapac. suges. gæt Inddamper trin Tryk Bar Ejekt.bereg. sugetr bar (p_s) Slurry temp Temperatur C fast temperatur Sugetr. ventilbereg bar T_sat water Temperatur C fejl Kondensattemp C fejl^2 5.09E-03 UA balance Varmestrøm på trin kw Modtryk bar Fordampning Dampflow kg/s ton/h Beregnet modtryk bar Sum afdampning Kontrol fejl Koge-punkt-øgning Temperatur C fejl^2 5.22E-04 Fejl energi Error kw E+04 Skaleret ift. energibal. (kw) Tyk_KNO3 oplø til krystallisat Heat of crystaliza KNO3: 193 kj

19 Frihedsgrader Løgdiagrammet: Energioptimering: Aldtid energioptimering først Udford: Reaktioner og behov: hvad er behovene Kan man ændre på separationsbetingeleserne eller metode HEX: optimal varmeveksling for at genvinde energi Smart energiforsyning og køling Adfærd Proceskontrol. Energiforsyning og køling etc. Energirigtig projektering Projekt godekendelse Udbud Akkumulerede udgifter HEX "Varmevekslernetværk" Seperationer Reaktioner & behov Projekt identifikation Tid Fase: Konc eptuel Design Forprojektering Projektering Installation Idrfitsæ ttelse 19

20 Eksempel simpel proces Minimum varme og Kølebehov? To kolde strømme og en varm strøm: Pinch analyse: Kolde og varme stømme Sammensættes til komposit kurver Energimål ved dt= 10 C Q=500 kw 20

21 Varmeveksler netværksoptimering Optimering: (Minimer kapital og energiomkostninger over periode på f.eks. 6 år) Løsning med to varmevekslere kan opfylde energimål på 500 kw VP COP= 10 21

22 Temperature [ C] Varmepumpe integration Kræver 6 vekslere inklusive VP Fordamper og kondensator opfylder Energimål på 269 kw (221 kw opnået) Process Composite Curve Hot Cold ,000 1,500 2,000 Energy [kw] DTmin : 5 C QHmin : kw QCmin : kw Area : m² 22

23 Tower Eksempel Biomasse til Methanol Process flow conceptual Q8 Biomass feed 200 MWth ton/h incl. 30 % water Oxygen 98.5 % 950 kj/kg S1_biomass_air S1_biomass_Oxygen Q8 Energy Biomass CH1.44O0.397 S2_O2 M2 ERx2 S35 S35_oxygen SP4 CP E+3 KW Q6 Energy EX1 SP3 Q E+4 KW S32 S26 S28 EX2 S34 S13 S24 Q7 Energy XL1 S4 S18 Q7 E E+4 KW S14 S33 C2 Q9 S25 S10 S19 Q9 Energy FS1 S11 Q2 Energy 4.689E+4 KW S12 S2_O2C S21 S E-2 KW S23 Sep2 SP1 Sep1 CO_shifft M4 S27 S20 S2 ~M1 S5 T1_CO2_absorp S3 S15 Q2 Compr_recycle1 M S1 Q1 Energy MSepLV1 S38 S27 MassFlow kg/h In.MassFlow.METHANOL E+3 kg /h 3.742E+3 KW Q1 CP1 S31 V1 S16 ~M5 Methano _reactor Q12 Energy Q E+3 KW S22 S8 Sep3 S29 S6 CP2 Methanol LHV = MJ/kg HHV= 22.7 MJ/kg Q3 Energy C1 S30 M3 ERx1 S E+2 KW Q3 S7 EX3 T1 Q10 SP2 CN1 Q4 Energy P1 Q4 EX4 S9 Q5 Energy Q11 Q11 Energy S37 MassFlow Q10 Energy S37 S E+0 KW Q E+4 KW kg/h 4.900E+3 KW 4.812E+3 KW 23

24 Temperature [ C] Metanol proces heat exchanger net-work % forbedring er opnået i forhold til eksisterende ved bedre energiintegration Process Composite Curve Hot Cold , ,000 Energy [kw] 150, ,000 Area : m² QCmin : kw QHmin : 0 kw DTmin : 4.2 C 24