Fortørring af tekstiler med IR-paneler Pilotforsøg Projektrapport November 1999
Fortørring af tekstiler med IR-paneler Pilotforsøg Asger N. Myken Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1999
DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Forord......... 2 2 Re urne og konklusion.......... 3 2.1 Abstract.......... 4 3 For øgsbeskrivelse...... 5 3.1 Procesbe. krivelse..................... 5 3.2 For øgsopstilling...... 5 3.3 Resultater... 8 4 Tørreprocessen energiforbrug... lo 5 Økonomisk vurdering af IR-tørring... 12 Refe1:encer... 14
DGC-rapport 2 1 Forord Tørring af tekstilbaner med infrarød stråling (IR-tørring) anvendes i stort omfang i udlandet, men ikke i Danmark. Tidligere undersøgelser har vist, at der kan opnås store fordele i tekstilbranchen ved anvendelse af IR-tørring, bl.a. forøget produktionskapacitet og nedsat energiforbrug Il, 2/. Formålet med det gennemførte projekt er at undersøge, om fortørring med gasfyrede IR-paneler er velegnet til en tørremaskine hos Fjelstervang Farveri. Til det formål gennemføres en pilottest på den aktuelle tørreproces. På baggrund af projektets resultater vil der blive taget stilling til installation af en IR-enhed. Følgende punkter ønskes belyst gennem forsøgene: IR-panelers anvendelighed i praksis på tørreprocessen Effekten på produktionshastighed og -kapacitet Effekten på energiforbrug Økonomisk vurdering/rentabilitet Projektet er finansieret af Gasselskabernes Fagudvalg 2, og rapporten er offentlig tilgængelig. Projektet er gennemført af en arbejdsgruppe bestående af: Asger N. Myken, Lars Knudsen, Bent Pedersen, Marcel Y ocarini, Lars Waage Petersen, Dansk Gasteknisk Center a/s Fjelstervang Farveri Naturgas Midt-Nord l/s Stordy Combustion Engineering Energicenter Vest lis +~ Asger N. Myken Projektleder
DGC-rapport 3 2 Resume og konklusion Der er gennemført en test hos Fjelstervang Farveri af fortørring af tekstilbaner med gasfyrede IR-paneler (infrarød stråling). IR-fortørringen er foretaget kontinuert efter at tekstilet har forladt en bredvasker, og før den ledes ind i en gasfyret tørremaskine. IR-panelerne opvarmer tekstilbanernes kanter, da det er tørringen af disse, som begrænser produktionshastigheden. Der viste sig visse problemer under forsøgene, og bl.a. var det ikke muligt at fortørre kanterne som ønsket med IR-panelerne, fordi de krøllede sammen, og dermed ikke absorberede strålingen effektivt. På baggrund af forsøgene vurderes det dog, at der ved en udretning af kanterne kan opnås en effektiv tørring af kanterne. Med udgangspunkt i erfaringerne fra testen er den nødvendige kapacitet på IR-sektionen samt behovet for hjælpeudstyr, inkl. udstyr til udretning af tekstilbanens kanter, fastlagt. Den samlede pris for alt nødvendigt udstyr udgør ca. kr. 347.000. Herafudgør omkostningerne til selve IR-panelerne ca. kr. 147.000. Det er ikke muligt at fastlægge den opnåelige forøgelse af produktionskapaciteten på baggrund af de gennemførte forsøg. Ved vurdering af effekten på energieffektivitet og økonomi er der derfor regnet med to cases, som vurderes at ligge inden for det realistiske område. Ved en forøgelse i produktionshastigheden på 10% opnås der en energibesparelse på ca. 2%, og tilbagebetalingstiden er ca. 23 år. Hvis produktionshastigheden kan øges med 20%, opnås en energibesparelse på ca. 10% og en tilbagebetalingstid på ca. 7,6 år
DGC-rapport 4 2.1 Abstract A pilot test of pre-drying of textile webs with gas-firedir-panels (infrared radiation) has been conducted at Fjelstervang Farveri. The IR pre-drying has been applied continuously between a washing machineand a gas-fired drying machine. The IR panels heats the horders of the textile web, since the drying of these are Jimiting the produetion capacity of the drying process. S orne problems occurred during the test. The horders of the textile web curled too much to absorb the infrared radiation effectively. However, based on the test an effective drying of the barders is considered feasible provided that the barders are stretched out in the IR beating zone. Following the test, the required capacity of the IR section and necessary auxiliary equipment, inelucting a system for stretching out the barders, has been estimated. The total price for all equipment is approximately DKK 347.000, of which the IR panels accounts for DKK 147.000. It is not possible to determine the obtainable increase of produetion capacity from the test. Therefore, two cases which are considered to be within a realistic range, are used for the evaluation of the effect of IR pre-drying on the energy efficiency and economy of the process. Assuming an increase of the produetion capacity (line speed) by l 0%, the energy consuroption is reduced by approximately 2% and the payback period o f the in vestment is approximately 23 years. If the produetion capacity can be increased 20%, the energy consuroption is reduced by approximately l 0% and the payback period is approximately 7,6 years.
DGC-rapport 5 3 Forsøgsbeskrivelse 3.1 Procesbeskrivelse Forsøgene er gennemført hos Fjelstervang Farveri i forbindelse med en tørremaskine af fabrikatet Fleissner fra 1990. Tekstilbanerne føres kontinuert ind i tørremaskinen direkte efter en bredvasker. Tørremaskinen er opvarmet med 3 naturgasfyrede Junkers-brændere a 610 kw, som holder en procestemperatur på ca. 130 C. Tekstilbanen passerer en række ruller i maskinen, og forlader denne med et fugtindhold på ca. 2-3% (kg vand/kg tørt stof). Produktionshastigheden på den aktuelle proces er begrænset af tørringen af tekstilbanernes kanter, hvilket er en velkendt problemstilling ved tørring af tekstiler. Kanterne har en tendens til at rulle sammen i de yderste ca. 50 mm, og derfor tørres de langsommere end resten af stoffet. I takt med at tekstilet tørres i tørremaskinen, rettes kanterne ud. Tendensen til sammenrulning er størst for tekstiler med indhold af elastiske fibre (fx Lycra), som udgør en væsentlig del af Fjelstervang Farveri's produktion. Ved fortørring af tekstilbaner med JR-brændere anvendes oftest en panelrække af IR-brændere, som dækker hele banens bredde. Da Fjelstervang Farveri' s produktion primært er begrænset af tørringen af tekstilbanernes kanter, er der i det aktuelle projekt fokuseret på en løsning, hvor kun kanterne fortørres med IR-stråling. Der er således anvendt en IR-enhed i hver side af banen. IR-fortørringen foretages kontinuert og umiddelbart foran tørremaskinen. 3.2 Forsøgsopstilling Forsøgene er udført d. 16.09.1999 med testenheder, som Stordy Combustion Engineering har stillet til rådighed. Der er anvendt to IR-enheder til tørring af tekstilbanens to kanter. Hver enhed består af tre bændermoduler, som hver måler 150 x 200 mm (brænderoverflade). Brændermaterialet er sintrede metalfibre. Figur 3.1 viser opstillingen med IR-paneler.
DG C-rapport 6 Figur 3.1. Opstilling af IR-paneler. Tørremaskinen ses i baggrunden. Tekstilbanen kommer (øverst til venstre) fra bredvaskeren, og ledes ved hjælp af et par ruller lodret ned. På vej ned passeres IR-panelerne, derefter fortsætter banen op, og drejer til sidst vandret til højre ind i tørremaskinen. På Figur 3.2 ses IR-enheden i tekstilbanens højre side, samt hvordan kanten ruller på vej op. Konstruktionen, som har kontakt med tekstilbanen, umiddelbart før denne passerer IR-panelerne, har til formål at rette kanten ud, mens den passerer panelerne, så den kan absorbere strålingen i hele kantens bredde. Figur 3.3 viser opstillingen med IR-paneler og udretningsanordninger i begge sider af banen, mens tørremaskinen ses i baggrunden.
DG C-rapport 7 Figur 3.2. IR-panel i tekstilbanens højre side. Figur 3.3. Opstillingen med IR-paneler og udretningsanordninger i begge side r af banen
DGC-rapport 8 3.3 Resultater Det var planlagt, at der ved varierende produktionsforhold bl.a. skulle måles tør vægt af tekstilet, fugtindhold i tekstilbanen før og efterir-fortørringen samt efter sluttørringen, energiforbrug og maksimal produktionshastighed med og uden anvendelse af IR-paneler. Flere omstændigheder bevirkede imidlertid, at forsøgene ikke kunne gennemføres som planlagt: Bestemmelsen af tekstilets fugtindhold foretages ved at måle vægten af et udklippet prøvestykke i fugtig og tør tilstand, idet vandindholdet svarer til forskellen på disse to vægte. De vigtigste forsøg blev foretaget med den produkttype, som giver størst problemer med tørring af banerne, og der var her tale om en kundeleverance, som der derfor ikke kunne klippes prøver af. Selv om der var installeret kantudretningssudstyr i forbindelse med IRpanelerne, var det ikke muligt at fastholde kanten udrullet under passagen af IR-panelerne, idet kanten rullede sammen umiddelbart efter udretningsudstyret. IR-tørringen var dermed ikke så effektiv, som hvis kanten havde været rullet ud. I nogle tilfælde kunne kanten delvist rettes ud manuelt under forsøgene. Der blev på trods af de ovennævnte omstændigheder gennemført nogle forsøg, hvor produktionshastigheden blev hævet, indtil fugtindholdet i kanterne efter tørremaskinen blev for højt. Dette blev bestemt manuelt ved at føle på tekstilet, af den person som overvåger processen på samme måde ved normal produktion. For visse tekstiler var det muligt at hæve produktionshastigheden med ca. 10%. For den tekstiltype, som er mest kritisk med hensyn til sammenrulning, kunne der på grund af sammenrulningen ikke opnås en effektiv tørring med IR-panelerne. Da der kunne konstateres en opvarmning af tekstilbanen og afdampning fra denne, vurderes det imidlertid, at der ved udretning af kanterne kan opnås en effektiv tørring. På baggrund af forsøgene vurderes det endvidere, at en større indfyret effekt på IR-sektionen vil være fordelagtig. Ved projektering af en IR-sektion vil der derfor blive kalkuleret med 6 paneler i hver side af tekstilbanen med en total installeret kapacitet på ca. 80 kw.
DG C-rapport 9 Gasforbrnget til tørremaskinen blev aflæst på en fast separat Flonidan-måler med tryk- og temperaturkompensering. Forbruget til IR-panelerne blev målt med en bælggasmåler (JOA type AC-SM, medbragt af DGC) med temperaturkompensering. Gastrykket blev målt af Naturgas Midt-Nord, og forbruget blev korrigeret med det målte tryk. Den indfyrede effekt i tørremaskinen blev under forsøgene aflæst til mellem 400-460 kw. Den samlede indfyrede effekt til IR-panelerne blev aflæst til 30 kw, dvs. ca. 15 kw i hver side af tekstilbanen eller 5,0 kw pr. panel. Med et brænderareal på 0,2 m x 0,15 m = 0,03 m 2 svarer det en relativ brænderbelastning på 165 kw /m 2. IRpanelernes evertladetemperatur blev målt tij mellem 870-900 C med et Siemens Ardocol to-farvepyrometer.
DG C-rapport 1 o 4 Tørreprocessens energiforbrug For at vurdere energisparepotentialet ved anvendelse af IR-fortørring, har Fjelstervang Farveri og Energicenter Vest lis i november 1999 foretaget en måling af tørremaskinens energiforbrug. Energiforbruget er målt over en periode på 42 timer som repræsenterer et rimeligt gennemsnit af de forskellige produktkvaliteter, som tørres på maskinen. Resultatet er sammenfattet i Tabel4.1. Naturgas El Total Produkt [kg] Målt over 42 timer. 1.154 m 3 n 3.780kWh - 11.458 Gennemsnitlig effekt 305 1 ) 90 395 (produktion: [kw] 273 kg/h) Energiforbrug pr. pro- 4.019 1.188 5.207 - duceret vare [kj/kg] Energiforbrug pr. for- 4.567 1.350 5.917 - dampet mængde vand [kj/kg] 2 ) _:; 1). Nedre brændværdi, Hn=39,9 MJ/m n 2): Antagelse: Gennemsnitlig fugtindhold før/efter tørring [kg vand/kg tørt stof]: 90%/2%. Tabel4.1. Målt energiforbrug på tørremaskine (uden IR-fortørring). Den nødvendige kapacitet for en IR-sektion til tørremaskinen vurderes at være ca. 80 kw (se afsnit 3.3). En vis del af energien, måske 40-70%, vil blive overført direkte til tekstilbanen ved stråling og konvektion. Desuden vil de varme røggasser kunne opsamles og føres ind i tørremaskinen, således at deres restenergiindhold udnyttes, idet tørremaskinens energiforbrug reduceres tilsvarende. Den totale udnyttelsesgrad vil således i høj grad afhænge af den aktuelle udformning af installationen. I det følgende er der regnet med, at tørremaskinens energiforbrug vil blive reduceret med 70% af IRpanelernes effekt. IR-panelernes reaktionstid ved start/stop-situationer er få sekunder, så de kan slukkes i forbindelse med produktionsstop, så tomgangstab undgås. El-forbruget kan forventes at stige ved en øget produktion, bl.a. på grund af øget ventilation, dog ikke forholdsvist lige så meget som produktionsforøgelsen. Det er i det følgende antaget, at den relative stigning
DG C-rapport 11 i elforbruget er halvdelen af den relative stigning i produktionen (dvs. 5% forøgelse i elforbruget ved en forøgelse af produktionshastigheden på l O%). Da de gennemførte forsøg ikke forløb som planlagt, kan den mulige produktionsforøgelse ikke fastlægges præcist. Der er derfor regnet med to cases, som vurderes at ligge inden for det realistiske område, nemlig en kapacitetsforøgelse på henholdsvis 10% og 20%, se Tabel 4.2. Der er antaget en årlig driftstid på 5700 timer med den eksisterende produktion. Ved kapacitetsforøgelser på 10% og 20% er der regnet med årlige driftstider på henholdsvis 5182 og 4750 timer (svarende til uændret årlig produktion). Eksisterende 10% kapaci- 20% kapacitetsforøgelse tetsforøgelse Gasforbrug, 305 249 249 tørremaskine [kw] Elforbrug [kw] 90 95 99 Gasforbrug, - 80 80 IR-sektion [kw] Energiforbrug, 395 424 428 total [kw] Produceret mængde 273 300 328 [kg/h] Energiforbrug pr. pro- 5.207 5.088 4.698 duceret mængde [kj/kg] Energiforbrug pr. for- 5.917 5.782 5.339 dampet mængde vand [kj/kg] Arlig besparelse, - 75 154 elforbrug [GJ] Arlig besparelse, - 121 633 gasforbrug [GJ] Årlig besparelse, totalt - 196 787 energiforbrug [GJ] Tabel 4.2. Tørreprocessens energiforbrug ved kapacitetsforøgelse ved hjælp af IR-tørring.
DGC-rapport 12 5 Økonomisk vurdering af IR-tørring På baggrund af de gennemførte forsøg er der foretaget en vurdering af den økonomiske investering ved installation af en IR-sektion. Stordy Combusti OD Engineering har fremsendt et tilbud på 2 rækker a 6 IR-paneler (inkl. nødvendigt udstyr) med en samlet kapacitet for begge rækker på 79 kw. Prisen for disse er NLG 43.500 svarende til ca. kr. 147.000. Da en udretning af tekstilbanernes kanter er nødvendig for at opnå en effektiv tørring af disse, er der også taget højde for nødvendigheden af installation af udretningsudstyr. Fjelstervang Farveri har vurderet prisen for dette ("Diverse udbredder samt montage") samt øvrige omkostninger ved installation af en IR-sektion, og de samlede anlægsomkostninger er angivet i Tabel5.1. 1000 kr. IR-sektion 147 Diverse udbredder samt montage 75 N-gas installation af IR-sektion 50 El-installation 25 Ventilationsændringer 25 Diverse 25 Total 347 TabelS. l. Vurdering af anlægsomkostninger ved installation af IRsektion. Den årlige besparelse samt simpel tilbagebetalingstid er vurderet på baggrund af de anslåede energibesparelser i afsnit 4 og vist i Tabel 5.3. Tabel 5.2 viser de energipriser, som er antaget ved vurderingen. Kr./kWh Kr./GJ Naturgas 0,14 38 El 0,50 139 Tabel5.2. Anvendte energipriser ved økonomivurdering.
DG C-rapport 13 1000 kr. 10% kapacitets- 20% kapacitetsforøgelse forøgelse ÅrJjg bespare] e, 10,4 21,4 elforbrug Årlig besparelse, 4,6 24,1 gasforbrug ÅJJjg be parel e, total 15,0 45,5 Simpel tilbagebeta- 23,1 7,6 lingstid [år] Tabel 5.3. Økonomisk besparelse og simpel tilbagebetalingstid ved en kapacitetsforøgelse på henholdsvis 10% og 20%.
DG C-rapport 14 Referencer l : Myken, A. N.: IR-tørring af tekstilbaner. Hørsholm: Dansk gastekni sk Center, 1998. 2: Myken, A.N.; Andersen, M.: Sammenligning af tørreteknologier. Hørsholm: Dansk gasteknisk Center, 1999.