Naturgasfyrede IR-brændere til lavtemperaturprocesser. Teknisk note nr. 1/1999 December 1999

Transkript

1 Naturgasfyrede IR-brændere ti avtemperaturprocesser Teknisk note nr. 1/1999 December 1999

2 Naturgasfyrede IR-brændere tiavtemperaturprocesser Teknisk note nr. 1/1999 Asger N. Myken Dansk Gasteknisk Center a/s Hørshom 1999

3 Tite Rapport kategori Forfaer Dato for udgivese Copyright Sagsnummer Sagsnavn ISSN Naturgasfyrede IR-brændere tiavtemperaturprocesser Teknisk note Asger N. Myken Dansk Gasteknisk Center a/s ; J:\71.9\13\Rapport\Teknisk note -R.doc NO-fyret IR tiavtemperaturprocesser Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) forb-ehoder sig re ti ændringer i den Tekniske Note. Det er brugerens ansvar at anvende opysningerne korrekt og ti det tisigtede formå. tifæde affej/ i den Tekniske Note gæder "Amindeige bestemmeserfor teknisk rådgivning & bistand {ABR 89) ". Jui 1997

4 DGC-rapport 1 Indhodsfortegnese Side Forord Resume Ab tract Infrarød tråing IR-brændere O 5 Anvende} e områder Tørring Opvarm~ning Overfadebehancing Fødevareproduktion Virkningsgrader Energieffektivitet og emissioner Økonomi Sa1nmenigning rned eektrisk m Referencer Biag Leverandøre versigt

5 DGC-rapport 2 1 Forord Opvarmning med infrarød stråing har været anvendt i industriee processer gennem årtier. Stråingen udsendes af eektriske IR-paneer eer gasfyrede IR-brændere/IR-paneer. IR er forkortesen for den engeske betegnese Infrared Radiation, dvs. infrarød stråing. Der er med tiden udviket avancerede brændermateriaer ti gasfyrede IRbrændere, som fx keramiske porøse eementer, samt forbrændingsteknikker som kataytisk forbrænding. Disse teknoogier er nu standardudstyr og økonomisk reaistiske, og dermed er anvendesesområdet for IR-brændere udvidet. Der kan for en række processer opnås fordee som fx forøget produktionshastighed samt forbedret energieffektivitet og produktkvaitet ved anvendese af IR-opvarmning. Teknoogien har dog også sine begrænsninger, og er derfor kun veegnet ti visse proceskategorier. Formået med denne tekniske note er at give en introduktion ti gasfyrede IR-brændere og deres anvendesesmuigheder og begrænsninger i industriee avtemperaturprocesser. Den omfatter såedes ikke stråerør ti højtemperaturprocesser, da teknoogien ti disse ikke er sammenigneig, eer rumopvarmning med IR-stråing. Mågruppen er naturgasseskabernes teknikere og sægere, industrivirksomheder, rådgivere og andre, som ønsker at vurdere anvendesesmuighederne for gasfyrede IR-brændere ti industriee processer. Udarbejdesen af denne tekniske note er finansieret af Gasseskabernes Fagudvag 2 og Svenskt Gastekniskt Center. /f/fa Asger N. Myken Projekteder

6 DGC-rapport 3 2 Resume Ae egemer udsender termisk stråing med en intensitet, som stiger med dets absoutte temperatur opøftet ti fjerde potens. Intensiteten varierer ved forskeige bøgeængder, og afhænger også af egemets materiae. Materiaers evne ti at absorbere stråingen afhænger meget af stråingens bøgeængde, og det har betydning for processens effektivitet. Infrarøde stråepaneer kan enten være eektrisk opvarmede eer gasfyrede. Der findes forskeige konstruktionsprincipper for gasfyrede IR-paneer, hvoraf overfadebrænderen er den mest anvendte i dag. Denne brændertype består af en porøs matrix, som en forbandet gas/uft-banding strømmer igennem. Gassens forbrændes i brænderoverfaden, som dermed opvarmes ti meem C, og udsender stråing. IR-stråing er en meget intensiv energioverførse sammenignet med konvektiv opvarmning, og der kan derfor konstrueres meget kompakte IRsektioner. Derfor er det ofte muigt at etabere IR-sektioner i, eer i forbindese med, eksisterende produktionsudstyr. Brændermateriaet kan fx være metafibre eer keramik. Temperaturen i forbrændingszonen er forhodsvis av, og derfor er overfadebrænderne karakteriseret ved ave NOx-emissioner. Infrarød stråing er særdees effektiv ti opvarmning og tørring af en række emner. Sammenignet med en amindeig konvektiv tørreproces, kan der opnås en meget intens og effektiv varmeoverførse med gasfyrede IRpaneer. Noten beskriver teknoogiens begrænsninger samt en række veegnede anvendesesmuigheder inden for områderne Tørring, Opvarmning, Overfadebehanding og Fødevareproduktion. Der angives i itteraturen og fra udstyrseverandører ofte meget forskeige værdier for både eektriske og gasfyrede IR-paneers virkningsgrader. Det skydes b.a., at der benyttes forskeige definitioner samt metoder ti bestemmese af virknings graden. Desuden er virkningsgraden het afhængig af den aktuee anvendese. Stråingsvirkningsgraden angiver hvor stor en de af den tiførte energi, der omsættes ti stråing. Procesvirkningsgraden angiver, hvor meget af energien der optages i det ønskede emne. Stråings-

7 DG C-rapport 4 virkningsgraden er som rege højere for eektriske IR-paneer end for gasfyrede, mens procesvirkningsgraderne typisk er sammenigneige. Anvendese afjr-paneer fremfor andre opvarmningsmetoder kan ofte medføre en energibesparese, og noten beskriver eksemper på energibespareser i størresesordenen 20-30% for akerings- og tørreprocesser. Noten angiver noge af de faktorer, som kan betyde, at anskaffese af gasfyrede IR-anJæger økonomisk attraktivt, og beskriver Økonomiske nøgeta for tre danske eksemper. Endeige foretages en sammenigning af gasfyrede og eektrisk opvarmede IR-paneer med angivese af fo rdee og uemper.

8 DGC-rapport Abstract A body emits therma radiation with an intensity that is proportiona to its absoute temperature raised to the fourth power. The intensity depends on the waveength and the mateda of the bod y. The absorptivity of materiais is strongy dependent of the waveength of the radiation, which is an important feature with regards to the efficiency of the process. Infrared panes are either eectricay heated or gas-fired. Different principes exist for the construction of gas-fired IR-bumers (IR= Infrared Radiation), of which the surface bumer is themost commony appied today. This bumer type is constructed with a porous matrix, through which a premixed gas/air-mixture fows. The premix is combusted in the bumer surface, which is subsequenty heated to a temperature between C, and emits radiation. Since infrared radiation is a very intensive mode of energy transfer compared to convective heat transfer, it is possibe to construct very compact IR sections. Therefore, IR sections can often be estabished within, or next to, existing process equipment. The bumer materia can be e.g. meta fibres or ceramics. The temperature in the combustion zone is o w, and therefore the NOx emissions of surface bumers are ow. Infrared radiation is very effective for heating and drying of severa produets. t is possibe to achieve a very intense and efficient heat transmission with gas-fired IR panes, compared to convective heating. This note describes the!imitations of the technoogy as we as a suitabe appications within Drying, Process Heating, Surface Treatment and Food Processing. Highy differing efficiencies are often quoted, both for eectrica and gasfired IR panes, in iterature and by suppiers of IR panes. One of the reasons is that different definitions and approaches for their determination are used. Furthermore, the efficiency is highy dependent on the appication. The radiation efficiency is the ratio of energy suppied to the IR pane that is transferred into radiation. The process efficiency is the ratio of the energy that is actua absorbed by the produet The radiation efficiency is usu-

9 DG C-rapport 6 ayhigher for eectricay heated IR panes than for gas-fired panes, whie the process efficiencies typicay are comparabe. It is often possibe to improve the overa energy efficiency of a process with the use of IR panes, and exampes of energy reductions of 20-30% for powder curing and drying processes are described. S orne of the aspects, that can make the appication of gas-fired IR equipment economicay attractive, are indicated, and economic key figures from three Danish cases are described. Finay, eectricay and gas-firedirare compared, and their advantages/disadvantages are discussed.

10 DGC-rapport 7 3 Infrarød stråing Udstråing Termisk stråing udsendes i et spektrum af bøgeængder, som afhænger af egemets materiae og temperatur. Figur 3.1 viser, hvordan udstråingens fordeing fra et absout sort egeme varierer med temperaturen. Ved stigende temperatur øges intensiteten, og fordeingen forskydes mod avere bøgeængder. Den samede udsendte stråing stiger proportionat med egemets absoutte temperatur opøftet ti fjerde potens (den absoutte temperatur måes i grader Kevin, og er temperaturen i grader Cesius+ 273,15) ~ N 120 E ~ ~ 100 s:! C) i 80 ~ ~ 60 s w o o (\ 1400'C 1\ \ \ ~00'\ \\ i.-. 1 OOO'C ""'\ 1\. 800~ ~ J& soo c-~ ~ -' Bøgeængde [~m] Figur 3.1. Stråingsintensitetfra et absout sort egeme. Det infrarøde område omfatter stråing ved bøgeængder meem 0, ~J-m. Det dees ofte op i tre deområder, defineret såedes (der findes i itteraturen også andre grænser for deområderne): Kortbøgeområdet 0,7-2!J-m Meembøgeområdet 2-4 ~J-m Langbøgeområdet ~Lm Ti sammenigning udsendes synigt ys ved bøgeængder meem 0,4-0,7!J-m.

11 DGC-rapport 8 Karakteristikken for et sort egeme viser den maksimae udstråing, som teoretisk kan opnås ved en given temperatur. For et reet egeme ska man gange denne teoretiske udstråing med en ernissionsfaktor, c:, som varierer med bøgeængden, og afhænger af egernets materiae og temperatur. c: er en dimensionsøs størrese meem 0-1. På Figur 3.2 ses et eksempe på den måte udstråing fra en gasfyret overfadebrænder. De to toppe omkring bøgeængderne 2,8 J...LID og 4,4 J...LID skydes, at de varme røggasser fra brænderen også bidrager ti udstråingen. Røggassens indhod af vand og kudioxid udsender stråing ved disse bøgeængder } 5 ~ w- 1 IV \ J ~ J ~ ~ o o [J.! m] 14 Figur 3.2. Eksempe på måt udstråing fra gasfyret IR-brænder. Absorption N år den udsendte stråing møder det emne, som ønskes opvarmet, fx en tekstibane, vi en de af stråingen absorberes i emnet, mens noget af stråingen vi refekteres. For noge materiaer kan en de af stråingen endvidere transmitteres, dvs. fortsætte gennem emnet uden at bive absorberet. Materiaernes evne ti at absorbere stråingen afhænger meget af stråingens bøgeængde, og det har betydning for processens effektivitet. Ved tørreprocesser er det fx en forde, at en væsentig de af stråingen udsendes

12 DG C-rapport g i meembøgeområdet, dvs. med bøgeængder meem 2-4 ~-tm, da vands absorptionsevne netop er maksima i dette interva.

13 DGC-rapport 1 O 4 IR-brændere Der findes forskeige konstruktionsprincipper for gasfyrede IR-paneer, hvoraf overfadebrænderen er den mest anvendte i dag. Figur 4.1 viser den principiee opbygning af denne brændertype. En forbandet gasnuft-banding edes ind i et fordeingskammer, hvorefter den strømmer gennem en porøs matrix. Bandingen antændes uden for brænderen med en gnisttænder, hvorefter forbrændingen stabiiseres i de yderste miimeter af brændermateriaet Dermed opvarmes brænderoverfaden ti meem C, og den udsender derfor termisk stråing i det infrarøde område. Brænderoverfaden er rødig ved denne temperatur. Det er atså seve brænderen, samt de varme røggasser, som udsender stråingen, i modsætning ti fx gasfyrede stråerør, hvor stråingen overføres indirekte ti processen. Porøst b r æ n d e r m a te ri a e... Premixet gas/uftban mg ~ Infrarød stråing Figur 4.1. Princip for gasfyret IR-brænder. Gassen forbrændes i princippet fudstændigt inde i brændermateriaet, og der er såedes ingen, eer kun små, synige fammer. Brænderoverfaden virker som fammehoder, fordi der trækkes energi ud af forbrændingszonen. Forbrændingstemperaturen er derfor reativ av, hviket betyder, at

14 DGC-rapport 11 NOx-emissioneme fra denne type brænder også er ave. Brænderbeastningen udtrykkes ofte i kw/m 2, dvs. indfyret effekt i forhod ti brænderoverfadens area. For at opnå en optima drift med hensyn ti fx brænderstabiitet, overfadetemperatur, stråingsvirkningsgrad og emissioner begrænses brænderbeastningen ofte ti et vist interva, fx kw/m 2. Figur 4.2 viser et eksempe på, hvordan overfadetemperaturen for en roetafiberbrænder varierer med brænderbeastningen. Op ti ca. 500 kw/m 2 stiger overfadetemperaturen ti et maksimum på ca. 925 C. Når intensiteten øges yderigere, mindskes forbrændingszonen i brænderoverfaden, og en større de af den tiførte gas forbrændes uden for brænderen. Resutatet er, at overfadetemperaturen fader J ~-~-~---~-- 1 ' ' --- y ---T-r - T---~--- 1 ' Combustion intensity {kw/m 2 ) Figur 4.2. Overfadetemperatur ved varierende brænderbeastning. Metafiberbrænder ved 5% uftoverskud 19! Hvis brænderbeastningen øges tistrækkeigt, vi forbrændingszonen stabiisere sig fudstændigt uden for brænderoverfaden, som derfor ikke opvarmes ti en temperatur, hvor den udsender stråing. Denne tistand kades

15 DG C-rapport 12 bue-fame mode, fordi brænderen fungerer som en traditione brænder med en bå famme. IR-enheder opbygges enten af mindre moduer ti den ønskede størrese eer som en enhed, hvor brænderareaet tipasses formået. Der er derfor et ubegrænset variationsområde med hensyn ti anægsstørreser. Da den optimae drift er afhængig af den indfyrede effekt pr. areaenhed, kan moduationsområdet for brænderne være begrænset i praksis. I disse tifæde kan kapaciteten regueres ved at kobe en de af paneerne fra. IR-stråing er en meget intensiv energioverførse sammenignet med konvektiv opvarmning, og der kan derfor konstrueres meget kompakte IRsektioner. Derfor er det ofte muigt at etabere IR-sektioner i, eer i forbindese med, eksisterende produktionsudstyr. Materiaer Brændermateriaet kan fx være metafibre eer keramik, og det har typisk en porøsitet på 80-90%. De keramiske brændermateriaer er i noge tifæde brændt med en struktur, som minder om en vaskesvamp, dvs. fydt med hurum/porer. I metafiberbrændere er brændermateriaet ofte sintret, dvs. presset sammen ti en reativ feksibe måtte. Det er muigt at kippe i materiaet, hviket gør det nemt at tipasse ti speciee brænderudformninger. I stedet for at sintre metafibrene kan man også spinde dem ti tykkere tråde, som kan "strikkes" ti en endnu mere feksibe måtte. De keramiske materiaer udvides kun ganske idt sev ved reativt høje temperatur-stigninger. Det er derfor muigt at bygge IR-paneer med store brænderareaer, uden at det giver probemer med mekaniske spændinger i rammen omkring brændermateriaet Det kan man ikke med sintrede metafibre, derfor bruges de i mindre moduer på fx 150 X 200 mm, som så kan sammensættes i rækker med det ønskede anta moduer. I de "strikkede" metafiberbrændere er materiaetætheden av, så de har ikke probemer med materiaeudvidese ved høje temperaturer. Reaktionstid Tidigere var gasfyrede IR-brændere termisk tunge, dvs. de havde en stor varmekapacitet, og var derfor angsomme ti at varme op ti procestemperaturen ved opstart og ti at køe ned ved driftsstop. Det er både procesmæssigt uhensigtsmæssigt og også sikkerhedsmæssigt et probem, og der-

16 DG C-rapport 13 for findes der i dag IR-brændere med angt avere reaktionstider, se tabe 4.1. Pane-type Energikidningstid Opvarm- Nedkø- 1 ) ingstid 2 ) Overfadebrænder, keramisk fiber Gas 10 sek. 5 sek. Kataytisk Gas 4min. 7-9 min. Overfadebrænder, metafiber Gas 30 sek. 1,5-3 min. Keramisk bok med små huer Gas 60 sek. 5-6 min. Keramisk bok med små huer + Gas 2-5 min min. metagitter Indirekte opvarmet stråefade (se Gas Figur 4.3) 2min min. T-3 Lamper E 2min. 6min. NiCr/Quartz-rør E sek. 4min. NiCr/Metarør E 2min min. Tabe4.1. Reaktionstider for IR-paneer ): Tid fra kod start ti90% af maksima udstråing. 2): Tid fra maksima temperatur ti20 C eer mindre. OBS: Forbrændingsuft afbrudt. Det ska bemærkes, at nedkøingstiderne for gasbrænderne er måt ved samtidig afbrydese af gas- og forbrændingsufttiførsel Hvis der ønskes hurtigere nedkøingstider, kan man undade at afbryde forbrændingsufttiførsen, så forbrændingsuften strømmer igennem brænderen, og dermed køer brænderen ned angt hurtigere. Kataytiske brændere Der findes også kataytiske overfadebrændere, hvor brænderoverfaden er kataytisk behandet, så omsætningen af gassen finder sted ved en angt avere temperatur ( C) end for traditionee IR-brændere. De er speciet veegnede ti processer, som kræver av stråingsintensitet og/eer av procestemperatur, fx termoformgivning af pastemner og visse akeringsprocesser. Andre principper Figur 4.3 viser en brændertype, hvor forbrændingen ikke finder sted i en porøs brænderoverfade. Brænderne er en kana med små tætsiddende dyser, der sidder paraet med rørængden. Dyserne er på begge sider omgivet af et idfast materiae, der opvarmes ved forbrændingen fra dyserne, og

17 DG C-rapport 14 det idfaste materiae udsender IR-stråing. Det idfaste materiae kan være Dyser Luftjqasbandinq Luftj-qas tiførse Figur 4.3. IR-brænder hvor stråeoverfaden opvarmes af røggassen efter forbrændingen af gassen I O! på begge sider af dyserækken, eer kun på den ene side. Brænderne er sektionsopdete og fås i forskeige udformninger og størreser, så den ønskede brændergeometri og størrese kan opnås. Overfadetemperaturen på brænderen er ca C, stigende ved øget beastning. Der findes endvidere IR-brændere, hvor gas/uft-bandingen strømmer igennem et stort anta små huer i en keramisk pade, og brænder i små fammer umiddebart uden for paden. Paden opvarmes af fammerne, og stråer dermed. For at forbedre stråingsvirkningsgraden kan der paceres metagitre uden for brænderen, som opvarmes af røggasserne og bidrager ti udstråingen.

18 DGC-rapport 15 5 Anvendesesområder Infrarød stråing er særdees effektiv ti opvarmning og tørring af en række emner. Sammenignet med en amindeig konvektiv tørreproces, kan der opnås en meget intens og effektiv varmeoverførse med gasfyrede IRpaneer. IR-paneerne kan med forde anvendes ti processer, hvor kun en de af et emne ønskes opvarmet, fx hvis temperaturen eer fugtindhodet varierer i emnet. Begrænsninger Metoden er dog begrænset ti processer med emner, som er karakteriseret ved at have store fader, av emnetykkese og simpe geometrier. Det skydes, at IR-stråingen bevæger sig direkte fra brænderoverfaden ti emnet, og dermed kun rammer de fader, som er synige fra brænderen. Endvidere er IR-brændere begrænset tiavtemperaturprocesser, dvs. med en maksima procestemperatur på ca. 400 C, da effektiviteten fader ved højere temperaturer. IR-stråing er ikke veegnet ti opvarmning af het banke emner, som fx poerede auminiumspader, da en stor de af stråingen vi bive refekteret. 5.1 Tørring IR-stråing fra gasfyrede paneer er generet veegnet ti tørreprocesser, fordi en væsentig de af stråingen udsendes i bøgeængder, hvor vands absorptionsevne er maksima. Typisk anvendes IR-enheder i kontinuerte processer, hvor produkterne transporteres forbi paneerne, fx ved hjæp af et conveyersystem eer et transportbånd. Der findes danske eksemper (ae eektriske) på IR-tørring af gipspader, oftspader, trykfarve (grafisk industri) og metaprofier efter vådbehanding. IR-tørring er dog generet ikke veegnet ti banke metaemner (inden akering), da en stor de af stråingen refekteres, hviket nødvendiggør en høj instaeret effekt. IR-paneer kan anvendes ti overfadetørring eer tørreprocesser, hvor stråingen kan overføres ti fader. Tørring af tekstier og papir er noge af de mest udbredte anvendeseområder for IR-processer. Ofte anvendes IRtørring i kombination med andre tørreprocesser. Nedenfor er angivet en række eksemper på produkter, som kan tørres med IR-paneer:

19 DG C-rapport 16 Tekstier Gips- og oftspader Maingiak Papir/tapet Kæbemider Beægninger Trykfarve Træfiner, bejdset træ Tørring af træ inden bearbejdning er en nøje kontroeret proces, hvor træet opbevares i et tørrekammer i en ængere periode. IR-stråere kan anvendes i forbindese med akering af træprodukter, enten ti forvarmning af træ inden akering eer ti tørring af den påførte farve. Fødevarer Tæpper I papirindustrien anvendes IR-tørring b.a. ti at udjævne variationer i fugtindhodet Det skydes, at IR-stråingen optages bedre i de våde end i de tørre områder. Derudover kan produktionshastigheden hæves og energiforbruget sænkes ved anvendese af IR-tørring. Figur 5. viser et eksempe på tørring af papirbaner fra Skjern Papirfabrik /1,6/. Papirbanen passerer odret op meem to rækker IR-paneer, som er paceret ca. 50 mm fra papirbanen. IR-sektionen, som har en kapacitet på 2400 kw, er bygget ind i den eksisterende papirmaskine, som er dampopvarmet Produktionshastigheden er øget med ca. 13% ved at instaere IRsektionen. Røggasserne udsuges i toppen af IR-sektionen, og varmevekses med tørreuft, som anvendes i en anden tørresektion i maskinen.

20 DG C-rapport 17 Figur 5.1. IR-sektion hos Skjern Papirfabrik//. På verdenspan findes fere tusinde instaationer med IR-tørring i tekstiindustrien /2/. Formået er ofte at forøge produktionskapaciteten og reducere energiforbruget, men der kan også være tae om forbedret produktkvaitet. Rapporterede forøgeser i produktionshastigheden varierer meem 22-80%, mens energibesparesen varierer meem 6-30%. 5.2 Opvarmning IR-opvarmning er veegnet ti processer, eer deprocesser, hvor der ønskes en hurtig og kompakt opvarmning. Puverakering Ved puverakering påføres et emne et farvepuver, som derefter opvarmes. Ved en vis temperatur begynder puveret at fyde, hvorefter det hærder ved ca C i minutter. IR-brændere kan benyttes ti at opvarme emnerne ti hærdetemperaturen hurtigere end ved konvektiv opvarmning. Figur 5.2 viser en IR-sektion, som er indbygget i en eksisterende ovn. Ved instaation af denne IR-sektion bev produktionshastigheden hævet med 30%, og energiforbruget reduceret med 20%. Desuden bev produktkvaiteten forbedret, da den hurtigere opvarmning giver en gattere overfade /4/.

21 DGC-rapport Fødevareproduktion IR-stråere kan benyttes ti bagning, stegning, grining og bruning af fødevarer. Røggasserne kan bortsuges i tifæde, hvor direkte røggaskontakt med produktet ikke kan accepteres. Speciet i fiskeindu trien og ved forarbejdning af frugt og grøntsager anvende endvidere en de opvarrnningsprocesser, enten ti konservering/ terii eringeer ti (for-) tegning af produktet i hvike IR- tråere vurderes at kunne anvend~ med forde. Endeig kan IR- tråing anvendes ti1 krympning af pastfim j forbinde! e med pakning af færdige produkter. Stegning Grining Bagning Varmebehanding Optøning

22 DGC-rapport 22 6 Virkningsgrader Der angives i itteraturen og fra udstyrseverandører ofte meget forskeige værdier for både eektriske og gasfyrede IR-paneers virkningsgrader. Det skydes b.a., at der benyttes forskeige definitioner samt metoder ti bestemmese af virknings graden. Stråingsvirkningsgraden angiver hvor stor en de af den tiførte effekt ti et stråepane, der udsendes som stråing. Stråingsvirkningsgraden angives ofte i procent af den tiførte effekt (e eer gas). For gasfyrede IR-paneer angives ofte værdier meem 30-50%. Resten af den tiførte energi er primært indehodt i røggasseme. Procesbetingeserne har stor indfydese på stråingsvirkningsgraden for gasfyrede IR-paneer. Ved stigende uftoverskudsta fader stråingsvirkningsgraden, idet overfadetemperaturen sænkes, og røggastabet Øges. Derfor anvendes typisk kun c a. 5-0% uftoverskud. 60~------~------~ T ~ ~ ~ o - ~ ~ ~L~~ c: QJ rr r I~ r ~ ~ ~~~~-~-~-~+t-~ c o N 2o 'O U I ~ ~ r 1 r 1 1 r ~ ~ ~ ~ r o r------~~ ~ o Combustion intensity (kw/m 2 ) Figur 6.1. Stråingsvirkningsgradfor metafiberbrænder ved varierende brænderbeastning og orientering 191. Figur 6.1 viser stråingsvirkningsgraden for en metafiberbrænder, des når den stråer odret ned, og des når den stråer horisontat. Det ses, at virkningsgraden fader ved stigende brænderbeastning, samt at paneets virk-

23 DGC-rapport 23 ningsgrad er afuængig af brænderens orientering. Det skydes, at når brænderen peger nedad, vi de varme røggasser, som stiger opad efter at have foradt brænderen, i højere grad bidrage ti stråingen samt varme brænderoverfaden op. En anden størrese, der ofte betegnes som procesvirkningsgraden, angiver hvor stor en de af den tiførte effekt, der overføres ti det ønskede emne. Denne parameter er naturigvis vigtigere end stråingsvirkningsgraden, men ti gengæd også afuængig af en række forhod for den aktuee proces, og dermed vanskeigere at generaisere eer sammenigne. Stråingen fra en pan IR-brænder udsendes i ae retninger, og derfor rammer en de af stråingen i visse tifæde ikke emnet. I processer som fx tørring af papirbaner, hvor stråepaneerne paceres tæt på emnet, og hvor kant-effekterne er små, viangt den største de af den udsendte stråing ramme emnet. I andre processer er man af konstruktionsmæssige eer andre årsager nødt ti at pacere IR-paneerne ængere væk fra emnet, og dermed vi en mindre de af den udsendte stråing ramme emnet. Den de af stråingen, som rammer emnet, kan enten absorberes i emnet, refekteres eer transmitteres, dvs. passere igennem emnet uden at bive absorberet. Det udtrykkes ved absorptions-, refektions- og transmissionskoefficienterne a, y og -c. Summen af disse er. Transmission finder kun sted for tynde emner som fx papir og tekstier. Kun den de af stråingen, som absorberes i emnet, bidrager (direkte) ti processen. Som omtat i afsnit 3, har stråingens bøgeængde indfydese på emnets evne ti at absorbere stråingen. Ved en given proces ska der derfor væges et stråepane, som udsender stråing i det ønskede område. Røggasserne fra gasfyrede IR-brændere bidrager ofte ti procesopvarmningen, og øger dermed procesvirkningsgraden. Figur 6.2 viser to eksemper på fordeingen af den tiførte energi ti henhodsvis et gasfyret (propan) og eopvarmet stråepane ti tørring af papirbaner /5/.

24 DG C-rapport Gas 100% Brænder EL ~ 100 % Stråepane 24 Stråingstab 3 % Stråingstab 1 D % Andre tab 5% Figur 6.2. Eksemper på fordeing af den tiførte energi ti henhodsvis et gasfyret og eopvarmet stråepane 151. Måingerne er udført på industriee anæg, og det ska bemærkes, at driftsbetingeserne ikke har været optimae for begge anæg. Det gasfyrede pane har opereret med et meget højt uftoverskudsta, hviket reducerer stråingsvirkningsgraden markant. E-paneernes beskyttesesgas var beskidte på grund af mangende rengøring, hviket også nedsætter effektiviteten. Desuden bev de eopvarmede paneer anvendt ti tørring ved avere fugtindhod i papirbanen end de gasfyrede. Disse to eksemper iustrerer, at korrekt indstiing og vedigehodese er vigtigt for at opnå en optima effektivitet. I de viste eksemper var stråingsvirkningsgraden 39% for den gasfyrede IR-brænder, og 62% for det eopvarmede pane. Forskeen i procesvirkningsgraden er mindre: Henhodsvis 31% og 40%. En undersøgese af virkningsgraderne for gas- og ebaseret IR-tørring har vist, at procesvirkningsgraderne for begge kategorier typisk igger meem 30-40%/8/.

25 DGC-rapport 25 7 Energieffektivitet og emissioner Typisk udsendes meem 30-50% af den indfyrede effekt ti en IR-brænder som infrarød stråing, mens resten af energien er indhodt i de varme røggasser. Sev om røggasserne eventuet også bidrager ti opvarmnings- eer tørreprocessen, er det dog oftest nødvendigt at udnytte røggassernes energiindhod for at opnå en tifredsstiende tota virkningsgrad. I mange processer indgår en IR-sektion i kombination med en anden deproces, fx en konvektiv tørresektion, hvori røggasserne fra IR-paneerne kan udnyttes. I en traditione konvektiv opvarmnings- eer tørreproces opvarmes emnets overfade og dets vandindhod ved kontakt med proces-/tørreuften. Den tiførte varme fordees ind i dybden af materiaet ved varmeedning. Vandet opvarmes, fordampes og edes bort fra emnet. Høje ufthastigheder og god uftcirkuation er vigtig både af hensyn ti varmeoverførsen og ti bortførsen af vanddampen. Den infrarøde stråing fra et IR-pane trænger direkte ind i emnet, og er en meget mere intensiv energioverførse. Indtrængningsdybden afhænger af stråingsabsorptionen, men er oftest maksimat få miimeter. Ved opvarmning af tynde emner som papir og teksti kan stråingen trænge ind i hee emnetykkesen, og en de af stråingen kan transmitteres igennem emnet. Som føge af den intensive opvarmning og tørring kan produktionshastigheden ofte øges væsentigt ved anvendese af IR-tørring. Dermed opnås også en indirekte forbedring af energieffektiviteten, idet tab, som er forhodsvis uafhængige af produktionshastigheden ( overfadetab fra produktionsudstyr, distributionstab, opstarts- og tomgangstab osv.), dermed udgør et mindre energiforbrug pr. produceret enhed. Eksempevis har måinger vist, at der er opnået en besparese på ca. 20% i energiforbruget pr. produceret enhed ved instaation af en IR-booster på en eksisterende gasfyret ovn ti puverakering /4/. En itteraturundersøgese om IR-tørring af tekstibaner har vist, at den opnåede energibesparese ved anvendese af IR-tørring varierer meem 6-30%, med en middeværdi omkring 15-20% /2/.

26 DG C-rapport 26 Emissioner Anvendese af gasfyrede IR-paneer medfører ofte en reduktion af energiforbruget for den pågædende proces. De1med opnås en tisvarende reduktion i emissionen af C0 2 og andre skadeige komponenter. Der kan endvidere opnås en reduktion af processens mijøbeastning ved brændsessubstitution, ved kon vertering fra e-baseret IR ti gasfyrede IR-paneer. Overfadebrænderens forbrændingsprincip betyder, at fammetemperaturen er.av i forhod ti traditionee brændere. Dermed opnås særdees ave NOx-emissioner ( < 20 ppm), og emissionerne af CO og uforbrændte kubrinter er også ave.

27 DGC-rapport 27 8 Økonomi IR-anæggene designes ti den aktuee anvendese, og det er derfor vanskeigt at angive noge generee prisniveauer for disse brændere. Prisen pr. instaeret kw er typisk avere for store anæg end for små, da en række udgifter er forhodsvis uafhængige af anægsstørresen (rørføring, styring osv.). Sammenignet med traditionee gasbrændere er IR-brændere ofte dyrere. Den økonomiske gevinst ved anvendese af gasfyret IR-opvarmning afhænger de aktuee betingeser, og om der er tae om en ny procesinie, forbedring af eksisterende udstyr eer konvertering fra eektrisk ti gasfyret IR. De oftest forekommende årsager ti en økonomisk gevinst er: Reducerede driftsomkostninger som føge af en forbedret energieffektivitet Øget produktionskapacitet på eksisterende produktionsudstyr. Er ofte en biigere øsning end investering i ekstra produktionsinier. Forbedret produktkvaitet (forøget sagspris eer forbedret konkurrenceevne). Reduceret padsforbrug i produktionshaer. De økonomiske nøgeta er nedenfor beskrevet for tre danske eksemper. Der er ikke medregnet eventuee anægstiskud fra fx Energistyresen. IR-booster ti puverakering hos ScanCoat IR-sektionen er instaeret som forvarmningsenhed i en eksisterende gasfyret konvektionsovn /4/. Instaeret kapacitet: Hardwarepris, IR-system: IR-ovn (ombygning af eksisterende ovn): Investering, tota: Reduktion i energiforbrug: Forøgese i produktionshastighed: 300kW kr (820 kr./kw) kr (330 kr./kw) kr (1.150 kr./kw) 20% 30%

28 DG C-rapport 28 IR-sektion ti papirtørring hos Skjern Papirfabrik IR-sektionen er instaeret i en eksisterende dampopvarmet papirmaskine. Måinger udført af DGC viste, at produktionshastigheden kan øges med 19%, og at det samede energiforbrug reduceres med ca. 6% med IRtørring I/. Disse resutater er dog kun baseret på et enket forsøg, og iføge virksomheden er produktionsforøgesen ca. 13%, mens energibesparesen er for ie ti at kunne bive bestemt præcist /6/. Instaeret kapacitet: Pris, IR-system: Andre udgifter: Investering, tota: Tibagebetaingstid: 2400kW 2 mio. kr. (830 kr./kw) 4 mio. kr. (1670 kr./kw) 6 mio. kr. (2.500 kr./kw) 1,6 år Den beregnede tibagebetaingstid er udeukkende baseret på værdien af den forøgede produktion. En eventue forbedret energieffektivitet vi yderigere forbedre driftsøkonomien. "Andre udgifter" omfatter b.a. brandsukningssystem, fammeovervågning (påkrævet af myndighederne) og udsugning. IR-enhed ti fortørring af tekstier, Fjestervang Farveri Denne enhed er ikke reaiseret, men anægsinvesteringerne er bevet vurderet. Instaeret kapacitet: Pris, IR-enhed: Andre udgifter: Investering, tota: Tibagebetaingstid: 79kW kr (1860 kr./kw) kr (2530 kr./kw) kr (4.390 kr./kw) 7,6 år Ved beregning af tibagebetaingstiden er der antaget en produktionsforøgese på 20%, og der er kun taget højde for besparesen i energiforbrug. Værdien af produktionsforøgesen er såedes ikke medregnet.

29 DGC-rapport 29 9 Sammenigning med eektrisk IR Princippet for eektriske IR-stråere er, at et pane opvarmes ti en høj temperatur, ved at der edes en strøm igennem. Temperaturen er ofte meget højere end gasfyrede IR -paneers overfadetemperatur. Der findes fordee og uemper for begge principper, så det afhænger af probemstiingen, om eektrisk eer gasfyret IR er mest veegnet. Virknings grader Stråingsvirkningsgraden er som rege højere for eektriske IR-paneer end for gasfyrede, dvs. en større de af den tiførte energi udsendes som stråing. Tabet for eektriske IR-paneer skydes, at paneerne køes af både den omgivende uft og tiført køeuft Stråingsvirkningsgraden for gasfyrede IR-brænder er typisk meem 30-50%. Den resterende energimængde er indehodt i røggasserne. Eektriske paneer med høj arbejdstemperatur, C, udsender stråing ved avere bøgeængder end gasfyrede paneer. For tørreprocesser betyder det, at stråingen fra gasfyrede paneer absorberes bedre i det vand, som ønskes opvarmet, end stråingen fra disse eektriske paneer. Desuden bidrager røggasprodukterne ti opvarmningen både ved stråing og konvektion. Derfor er procesvirknings graden, som er et udtryk for den effektivt overførte energi, for gasfyrede IR-paneer ofte i samme størresesorden eer større end for eektriske IR-paneer, se afsnit 6. Økonomi Da energiprisen for gas er meget avere end eprisen, er energiudgiften derfor væsentigt avere for gasfyret IR-tørring end forebaseret IR. Hvis der er tae om små anæg, kan anægsinvesteringerne ti en gasfyret IR-enhed være større end ti et eektrisk anæg. Ved større anæg er gasfyret IR derimod reativt biigere, især fordi det ofte er nødvendigt med større modifikationer og udvideser af virksomhedens eforsyningsanæg. Det er umuigt at generaisere disse forhod, men som tommefingerrege er eektrisk IR den biigste øsning ved kapaciteter under ca. 50 kw, mens gasfyret IR som hovedrege er den økonomisk favorabe øsning for anæg over ca. 100 kw. Mijøbeastning Da procesvirkningsgraden for de to typer IR-anæg er sammenigneig, er mijøbeastningen for gasbaseret IR også mindre end for ebaseret, idet

30 DGC-rapport 30 emissionerne af kudioxid, svov og nitrogenoxider er avere (når eproduktionen er baseret på centra fyring med fossie brændser). Reguering Overfadetemperaturen kan regueres mere præcist med eektriske IRpaneer end med gasfyrede paneer. Eektrisk IR er derfor den foretrukne øsning ti processer, hvor denne parameter er afgørende. Vedigehodese Drifts- og vedigehodesesomkostninger varierer med anvendesen, men e-opvarmede IR-paneer har i visse tifæde en forhodsvis av evetid, og kræver derfor hyppige udskiftninger. I processer, hvor paneerne opererer i støvede omgiveser, fx puverakering eer tørring af papir og tekstier, kan e-opvarmede paneer have en tendens ti tismudsning, hvor støvet brænder sig fast i en hård beægning på paneerne. Det nedsætter effektiviteten og evetiden, og kræver derfor rengøring og/eer udskiftning. I gasfyrede overfadebrændere hoder den udstrømmende røggas støv og partiker bort fra overfaden, og mindsker derfor dette probem. Erfaringerne med den gasfyrede IR-sektion ti puverakering beskrevet i /4/ viser såedes, at der ikke har været væsentige probemer med IRpaneerne gennem ca. 5 års drift. De eneste reparationer har været udskiftning af eektroniske komponenter i styreboksen.

31 DGC-rapport 31 Referencer. Andersen, P., M yken, A.N.: Energiforbrug ved fremstiing af papir hos Skjern Papirfabrik. Dansk Gasteknisk Center a/s, november Myken, A.N.: IR tørring af tekstibaner. Dansk Gasteknisk Center a/s, maj IR tørring af tekstibaner. Brochure nr Dansk Gasteknisk Center a/s, Madsen, O.H., Myken, A.N.: Naturgasfyret IR-booster. Dansk Gasteknisk Center a/s, november Pettersson, M.: Heat Transfer and Energy Efficiency in Infrared Paper Dryers. Department of Chemica Engineering, Lund University, Sverige. November Pam, M.: Jamforese mean e-ir och gas-ir vid tiampningar i industriee processer (eksamensprojekt). Lunds Tekniska Hogskoa, Sverige. Apri Myken, A.N.: Fortørring af tekstier med IR-paneer- Piotforsøg. Dansk Gasteknisk Center a/s, november Pettersson, M.: Indæg på "Industriseminarium om IR-stråare inom pappersindustrin". Sundsva, Sverige, December Dokumentationsmateriae for Bekitherm AC 200 P. N.V. Acotech S.A., Begien. 10. DGC's Industribrænderkataog: Singh, S.N.: Genera nfrared Process Heating Appication Too. Gas Research Institute, Chicago, Januar 1999.

32 Biag: Leverandører Der findes en ang række everandører af gasfyrede IR-paneer, hvoraf noge er speciaiserede i IR-udstyr, mens andre har dette som en de af et bredt udstyrsprogram. I det føgende er nævnt noge eksemper, og desuden findes der en god iste over everandører (både gas og e) på den føgende Internet-hjemmeside: (væg "Research" og derefter "Links to IR drying"). Stordy Combustion Engineering B. V. Sæger b.a. gas- og oiebrændere ti industriee processer, herunder IR-brændere. Joweg KR Rijsenhout The Netherands Teefon: Teefax: E-mai: StordyNL@compuserve.com Babcock Textimaschinen Gmbh Procesudstyr ti tekstiindustrien, herunder IR-fortØrringsenheder. Postfach 3148 D Seeveta German y Teefon: + 49 (04105) 8110 Teefax: + 49 (04105) Babcock Textimaschinen's danske agent er: Niese kemi & teknik Aps Carit Etars vej 20 DK-7330 Brande Teefon: Teefax: E-mai: Niese@niese.dk

33 N.V. Acotech S.A. Producent af metafibre og IR-brændere. Designer og producerer brændere tiforskeige processer. Bekaertstraat 2 B-8550 Zwevegen Begium Teefon: +32-(0) Teefax: +32-(0) Dutch Oven Systems Kompette ovne og tørremaskine r, forskeige processer. Graafschapsstraat Ge Buren The Netherands Teefon: Teefax: Vucan Cataytic Systems L td. Kataytiske IR-brændere, teksti, termoformgivning (past). Po t Office Box 855 Portsmouth RI USA Teefon: L / Teefax: E-mai!: vucancat@ ao.com GoGas Goch GmbH & Co Rumopvarmning og industriee processer. Postfach 35 O O Dortmund German y Teefon: +49-(02 31 ) Teefax: +49-(02 31) E-maiJ:

34 PED Technoogies Ltd. Kompette ovne ti overfadebehandingsprocesser ti fx meta, pastic og træ. Huxey Cose, Park Farm South NN8 6AB Weingborough, Northants Engand Teefon: Teefax: SO P ARA Kompette anæg ti b.a. fødevareproduktion, termoformgivning og tørring af teksti og papir. Pare La Poudrette Lamartine 4 Rue Du Dauphine Vaux en Vein France Teefon: Teefax: SUNKISS Kompette systemer med kataytiske brændere ti b.a. våd- og puverakering af meta, træ og gas, overfadebehanding, trykning (tørring affarve), termoformgivning og varmebehandingsprocesser. 6-1 O, Bouevard des Monts d'or B.P Sathonay Camp France Teefon: Teefax: Radernaker den Boer BV Ovne og procesudstyr ti fødevareindustrien. Singe20 P.O. Box AA Dafsen The Netherands Teefon: Teefax: