Spillvärmens potential som
resurs i verkstadsföretag samt dess investeringsbarriärer
The potential of waste heat as a resource in engineering companies and its investment barriers
Rezgar Dimasi & Philip Lantz
Civilingenjörsprogrammet Industriell ekonomi Examensarbete
30HP Bo Rundh
Sammanfattning
Industriell spillvärme har funnits sedan flera hundra år tillbaka och har länge bara antagits vara en biprodukt från industriella aktiviteter. Syftet med studien var att bidra med kunskap om spillvärmeenergins potential som resurs ur ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv samt identifiera vilken betydelsefull problematik som kan finnas vid beslutsfattande om implementering av spillvärmeåtervinningssystem.
Studien genomfördes i form av en fallstudie med verkstadsföretaget Epiroc Drilling Tools AB i Fagersta som studieobjekt. Spillvärmekartläggningen visade att optimal återvinningspotential fanns vid värmebehandlingsugnarnas avfacklingar i form av rökgaser. Den totala spillvärmeenergin som fanns tillgänglig att återvinna i verkstadens alla 24 industriella ugnar, uppskattades till mellan 1,63 till 1,92 GWh per år. Verkstadsföretaget hade 2018 ett fjärrvärmebehov på ca 2,3 GWh. Investering i spillvärmeåtervinningssystemet skulle innebära att företaget kan täcka upp till 83% anläggningens fjärrvärmebehov.
Verkstadsföretaget hade som mål att under en treårsperiod, bland annat sänka sin totala energianvändning med 20% och en återvinning av den tillgängliga spillvärmeenergin skulle kunna bidra med 4,2 till 5,0% av företagets energieffektiveringsprojekt.
En återvinning av spillvärmen uppskattades resultera i kapitala besparingar mellan 900 000 till 1 100 000 SEK exklusive moms årligen.
Grundinvesteringskostnaden för återvinningssystemet uppskattades till 3 500 000 SEK med en driftkostnad på 220 000 SEK. Payback-tiden uppskattades till ca 4 år för verkstadsföretaget att helt återbetala investeringskostnaden för återvinningssystemet.
Primär- och sekundärdatainsamling resulterade i att besvara vilken problematik och vilka hinder som kunde uppstå vid beslutsfattande gällande investering och implementering av spillvärmeåtervinningssystem.
Abstract
Industrial waste heat has been around for hundreds of years and has long been assumed to be only a by-product of industrial activities. The purpose of the study was to contribute knowledge about the potential of waste heat energy as a resource from an economic and environmental perspective and to identify what important problems can be found in decision-making regarding the implementation of waste heat recovery systems.
The study was conducted in the form of a case study with the engineering company Epiroc Drilling Tools AB in Fagersta as a study object. The waste heat survey showed that optimal recovery potential existed in the heat treatment furnaces' flares in the form of flue gases. The total waste heat energy available to be recycled in all 24 industrial furnaces of the workshop was estimated at between 1.63 to 1.92 GWh per year. The engineering company had a district heating demand of about 2.3 GWh in 2018. Investment in the waste heat recovery system would mean that the company can cover up to 83% of the plant's district heating needs.
The engineering company aimed to, over a three-year period, among other things, reduce its total energy use by 20% and a recovery of the available waste heat energy could contribute 4.2 to 5.0% of the company's energy efficiency projects.
A recovery of the waste heat was estimated to result in capital savings between SEK 900,000 to SEK 1,100,000 excluding VAT annually. The basic investment cost of the recycling system was estimated SEK 3,500,000 with an operating cost of SEK 220,000. The payback time was estimated to be about 4 years for the engineering company to fully repay the investment cost of the recycling system.
Primary and secondary data collection resulted in answering what problems and obstacles could arise in decision making regarding investment and implementation of waste heat recovery systems.
Förord
Detta examensarbete har utförts av Rezgar Dimasi & Philip Lantz, studenter vid fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap på Karlstads universitet under höstterminen 2019.
Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och har genomförts som en avslutande del på Civilingenjörsprogrammet - Industriell ekonomi, inriktning mot maskinteknik samt energi- och miljöteknik.
Ett stort tack riktas till handledaren Bo Rundh för värdefulla åsikter, diskussioner samt konstruktiv kritik som hjälpt oss igenom studien. Tacksamhet riktas även till Johan Quist och Jens Beiron för allt stöd och hjälp vid Karlstads Universitet.
Ett stort tack riktas till handledaren Anna Almquist på Epiroc Drilling Tools AB för all hjälp och stöd med examensarbetet och trivseln vid besöken hos Epiroc i Fagersta! Ett stort tack till Per-Magnus Mansnerus, Ingrid Bengtsson och alla andra anställda som varit till stor hjälp med arbetet hos Epiroc!
Teckenförklaring, indextermer samt ordlista
Teckenförklaring
Symbol Storhet Enhet
P Tryck Pa
∆ Skillnad mellan enheter
T Temperatur K, °C
ρ Densitet kg/m3
ṁ Massflöde kg/s
𝑉̇ Volymflöde (Normal kubikmeter per s) Nm3/s
m Massa kg
M Molmassa g/mol
Cp Värmekapacitivitet kJ/kg, °C eller kJ/kg, K
Hfg Förångningsentalpi kJ/kg
ΔHfg Förångningsentalpi, genomsnittlig kJ/kg
Hi Entalpi kJ/kg
Innehållsförteckning
1. Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problematisering ... 2
1.3 Syfte ... 4
1.4 Problemställning ... 4
2 Teori ... 5
2.1 A Resource Based View ... 5
2.2 Spillvärme ... 5
2.3 Spillvärme som resurs ... 6
2.4 Spillvärmeförluster ... 7
2.5 Tidigare forskning ... 9
3 Metod ... 12
3.1 Praktiskt tillvägagångsätt ... 12
3.2 Fallstudie ... 13
3.3 Undersökningsutgångspunkt ... 14
3.5 Genomförande ... 14
3.5.1 Datainsamling ... 15
3.5.2 Intervjuer och diskussioner ... 16
3.5.3 Observationer ... 17
3.5.4 Litteraturstudier ... 17
3.6 Trovärdighet ... 17
4 Fallstudie ... 19
4.1 Epiroc AB ... 19
4.2 Spillvärmeåtervinningsfaktorer ... 19
4.3 Spillvärmekartläggning ... 20
4.4 Verkstadens industriella ugnar ... 21
4.5 Mätvärden ... 22
4.6 Metod beräkningar avfackling ... 22
4.7 Förbränningsprocess i industriell ugn ... 23
4.7.1 Spillvärmemängd för propangas C3H8 genom stökiometrisk förbränningsprocess ... 24
4.7.2 Spillvärmemängd för Metanol CH3OH genom stökiometrisk förbränningsprocess ... 26
4.8 Tillgänglig mängd spillvärme ... 26
5 Resultat ... 27
5.1 Spillvärmekartläggning ... 27
5.2 Mängden spillvärme hos värmebehandlingsugnarna ... 28
5.3 Beräkning av förbränningsenergin i vätgasugnarna ... 31
5.4 Total tillgänglig spillvärmeenergi ... 31
5.5 Fjärrvärmebehov ... 32
5.6 Avfackling- och ventilationssystem ... 36
5.7 Värmeväxlare ... 37
5.8 Investeringskostnader ... 40
5.9 Återbetalningstid (Pay-back metoden) ... 41
5.10 Datainsamlingsresultat ... 43
5.10.1 Observationer ... 44
5.10.2 Diskussioner ... 45
5.10.3 Intervjuer och mailintervjuer ... 47
6 Analys ... 51
6.1 Spillvärmekartläggning ... 51
6.2 Spillvärmeåtervinning ... 52
6.3 Analysunderlag för forskningsfråga 1: Under vilka förutsättningar är det ekonomiskt fördelaktigt för verkstadsföretag att utnyttja spillvärmen från sina industriella processer? ... 54
6.4 Analysunderlag för forskningsfråga 2: Under vilka förutsättningar är det miljömässigt fördelaktigt för verkstadsföretag att utnyttja spillvärmen från sina industriella processer? ... 55
6.5 Analysunderlag för forskningsfråga 3: Vilka avgörande faktorer föreligger och vilken problematik kan uppstå vid ett beslutsfattande gällande investering samt implementering av återvinningssystem? ... 56
7 Slutsats ... 59
7.1 Framtida forskning ... 62
Referenser ... 63
Bilagor ... i
Bilaga A ...i
Bilaga B ... iii
Bilaga C ... iv
Bilaga D ... v
1. Introduktion
Under introduktionskapitlet kommer en kort presentation och beskrivning av bakgrund till varför studien i fråga görs. Det presenteras även syfte och problemställning med studien.
1.1 Bakgrund
En populationsökning och urbanisering har medfört att energibehovet samt utsläpp av växthusgaser har ökat. Detta har påverkat tillgängligheten på fossila bränslen som en huvudkälla för energiutvinning (Avelin et al. 2017). Då tillgängligheten på fossila bränslen minskar i samband med att energibehovet hela tiden ökar, uppkommer ett behov av att utnyttja tillgängliga potentiella källor för energiutvinning för att säkerställa energibehovet för framtida generationer (Alvin et al. 2015).
Enligt The International Energy Agency är världens industrier endast hälften så energieffektiva som de har potential till att vara (I.E.A. 2006). Den Europeiska Unionen (EU28), beståendes av 28 medlemsländer, svarar i dagsläget för ca 12%
av världens totala energikonsumtion och för ca 11% av världens totala koldioxidutsläpp (CO2). Industrisektorn svarar för ca 26% av den totala energikonsumtionen samt för ca 48% av den totala CO2 utsläppet. EU, som ligger i framkanten när det gäller medvetenheten och engagemang i globala miljöfrågor, har sedan år 1990 lyckats bidra med att sänka utsläpp av växthusgaser med ca 23% jämfört med år 1990 och har som mål att minst uppnå 40% utsläppsminskning vid år 2030. Detta är tänkt att uppnås genom smarta energibesparingar, utnyttjande av tillgängliga samt förnybara energikällor (Bianchi et al. 2019).
Industriella aktiviteter använder idag stora mängder energi för produktion och tillverkning i sina processer och verkstäder. Enligt Statistiska centralbyrån (2017) var den totala energianvändningen drygt 378 TWh i Sverige där industrisektorn stod för 143 TWh vilket motsvarade ca 38% av den totala energikonsumtionen, se figur 1.
Figur 1. Fördelningen av det totala energianvändandet i Sverige mellan olika sektorer (Statistiska centralbyrån 2017).
Kostnaden för fossila bränslen har ökat med tiden och detta har medfört att industrierna försöker ersätta fossila bränslen med elektricitet så gott det går och blir därmed allt mer elintensiva. Industrisektorn förbrukar stora mängder fossila bränslen i sina industriella aktiviteter (Energimyndigheten 2017). Stora delar av den initiala energin som förbrukas under en industriell process förloras som spillvärme då många industrier inte återvinner spillvärmen utan bara släpper ut den i atmosfären (Goldstick et al. 1986).
Enligt De Beer (1998) är vanliga källor för industriell spillvärme bland annat industriella ugnar, avlopps- och kylvatten, kylsystem, motorer eller frånluft från produktionshallar och verkstäder.
1.2 Problematisering
Industriell spillvärme har funnits sedan industrialiseringen men har det senaste decenniet fått uppmärksamhet som en potentiell energikälla och inte bara som en biprodukt från industriella aktiviteter. Den växande globala oron över miljö- och hållbarhetsfrågor ihop med företagens oro över energikostnader och energisäkerhet har medfört att intresset för spillvärme och - energiåtervinningssystem ökat i samband med att myndigheter börjat ställa krav på utsläppsminskning. Den globala marknaden för spillvärmeåtervinning
förväntas överskrida 65 miljarder USD i slutet av år 2021 med en årlig tillväxttakt på 4,8% i slutet av år 2025.
Drygt en fjärdedel av Europas primärenergi förbrukas i dagsläget av industriprocesser. Dessa processer karakteriseras av brist i energieffektivitet.
Med denna ineffektivitet menas värmen som går förlorad vid utsläpp av varmgaser som genererats från industriprocesserna (Bianchi et al 2019).
Författarna hävdar även att en reduktion eller återvinning av värmeflödesförluster skulle kunna innebära såväl miljöförbättringar som ekonomiska fördelar för industriföretag.
Det finns stor potential för återvinning och användning av spillvärme, både i Sverige så väl som den Europeiska Unionen (EU28). Spillvärmeåtervinning från industrisektorn är en viktig del av EU:s energieffektiviseringsdirektiv (2012/27/EU). Direktivet från EU ställer krav på att medlemsländerna skall ta fram tillvägagångssätt för att implementera EU:s 20/20/20 mål, vilket innebär 20% utsläppsminskning av växthusgaser, 20% ökning av andelen förnybar energi respektive 20% energieffektiviseringsförbättringar jämfört 1990- taletsnivåer (Rodríguez Pólit 2018).
Under 2000-talet producerades det i Sverige årligen i genomsnitt 5 TWh fjärrvärme med hjälp av återvunnen industriell spillvärme vilket utgjorde ca 10%
av den totala fjärrvärmeproduktionen. Det finns dock potential till att återvinna ytterligare 3,5 till 5 TWh spillvärme (Energimyndigheten 2010).
Återvinning av spillvärme för utnyttjande som fjärrvärme bedöms enligt Energimyndighetens rapport ”Styrmedel för industriell spillvärme” vara allmänt resurs- och energieffektivt då det kan innebära primärenergibesparingar för fjärrvärmebolaget som levererar värme till sina kunder. Samma rapport påvisar även att det finns fortsatt behov av studier samt projekt kring tillvaratagande av spillvärme för att öka medvetenhet samt kunskap kring spillvärmens potential samt dess tillämpning (Rodríguez Pólit 2018).
1.3 Syfte
Den globala miljöpåverkan har på senare tid ökat uppmärksamheten samt medvetenheten, inte bara hos politiker utan även hos företag, investerare och kunder.
Studien görs då det finns ett fortsatt behov av studier och utredningar kring potentialen för spillvärmeåtervinning hos verkstadsföretag. Det finns även ett behov av vidare studier kring varför verkstadsföretag med tillgänglig spillvärmeenergi inte tar tillvara på den. Studien syftar till att undersöka spillvärmepotential och dess implementering- samt investeringsbarriärer i verkstadsföretag.
Resultatet ska bidra med inspiration och ökad kunskap gällande spillvärmepotential hos verkstadsföretag samt bidra med vetskap i anknytning till under vilka förutsättningar det är ekonomiskt samt miljömässigt fördelaktigt att återvinna spillvärmen.
1.4 Problemställning
• Under vilka förutsättningar är det ekonomiskt fördelaktigt för ett verkstadsföretag att återvinna spillvärmen från sin tillverkningsprocess?
• Under vilka förutsättningar är det miljömässigt fördelaktigt för ett verkstadsföretag att återvinna spillvärmen från sin tillverkningsprocess?
• Vilka avgörande faktorer föreligger och vilken problematik kan uppstå vid ett beslutsfattande gällande investering samt implementering av återvinningssystem?
2 Teori
Härmed följer en teoretisk bakgrund som ger en tydligare förståelse för vad tidigare forskning har kommit fram till inom området.
2.1 A Resource Based View
Om ett företag kartlägger sina interna resurser på ett fördelaktigt sätt så är det lättare att identifiera vilka av dessa som kan skapa konkurrensfördelaktigt värde för företaget (Penrose 1959; Wernerfelt 1984). Detta resursbaserade synsätt att se på företaget har kommit att kallas “A Resource Based View” (RBV) och är allt mer förekommande inom strategisk företagsledning (Wernerfelt 1984).
Enligt RBV uppnås konkurrensfördelar genom att hitta nya metoder och strategier för att ta tillvara på sina befintliga resurser (Wernerfelt 1984).
Hart (1995) vidareutvecklar RBV synsättet i sin teori; Natural-Resource Based View (NRBV). Denna teori behandlar ett företags möjlighet att skapa konkurrensfördelar baserat på dess relation med den naturliga miljön. NRBV argumenterar för att resurser kan erhållas från ekologiska och samhälleliga problem och användas till fördel för företag. Enligt Helfat (2003) definieras en resurs för ett företag som en materiell alternativt icke materiell tillgång eller input till företagets produktion som företaget äger eller kontrollerar. Resurserna utges i NRBV teorin vara produktförvaltning och hållbarutveckling (McDougall et. al.
2019).
2.2 Spillvärme
Det finns olika tekniska lösningar för att återvinna den potentiella spillvärmen som uppstår vid industriella processer (Jouhara et al. 2018). Vissa industriella processer som avlägsnar värme med låga temperaturer kan inte utnyttjas direkt på ett effektivt sätt utan behöver värmas ytterligare med hjälp utav extra utrustning för att vara användbar (Reddy et al. 2013). Återvinning av spillvärme
i verkstadsindustrin för järn- och stålproduktion omfattar återvinning av spillvärme som avlägsnas från källor med höga temperaturer. En vanlig teknik som används för återvinning av spillvärme i verkstadsindustrier med metallbearbetning inkluderar högtemperaturugnar och återvinning sker med hjälp utav gasströmmar från produktionsprocesserna (Jouhara et al. 2018).
Om värmekällan som används kommer från varm rökgas så blir energibesparingen ännu större på grund av att rökgaser annars slösas bort då den inte används och ses som en restprodukt från industriella processer (Arink et al. 2017). Det finns olika nivåer på spillvärme där temperaturen är ett av de viktigaste och avgörande kriterierna inför beslut om det är kostnadseffektivt att investera i återvinningsutrustning av spillvärmen som energikälla för företaget (Jouhara et al. 2018).
Spillvärme med höga temperaturer, över 400 °C är en stor potentiell energikälla och medium temperaturspillvärme handlar om temperaturer mellan 100 °C till 400 °C och låg temperaturspillvärme handlar om temperaturer under 100 °C (Brückner et al. 2015). Spillvärme med hög temperatur avlägsnas oftast från processerna inom metall- och mineralbearbetningsektorerna (Lutsch 2005).
2.3 Spillvärme som resurs
Enligt det resurs-baserade synsättet (Wernerfelt 1984) som diskuterar ineffektiv hantering av resurser, ses spillvärmen i denna studie som en resurs som inte hanteras på ett effektivt och innovativt sätt av många tillverkande verksamheter.
Återvinning och utnyttjande av spillvärmen kan komma att ses som en konkurrensfördel för företagen (Han et al. 2011; Zhang et al. 2016). Enligt Barney (1991) är en resurs värdefull för ett företag när en strategi för tillvaratagande av denna utvecklas och leder till ökad effektivitet.
Järn- och stålindustrin är bland de energikrävande sektorerna som behöver arbeta för att minska sin miljöpåverkan och dessa företag kan använda sig av olika verktyg för att kartlägga sin energikonsumtion och bedöma effektiviteten i sina processer. En energieffektivisering skulle utöver minskad energiförbrukning även kunna innebära mindre utsläpp och ekonomiska fördelar för företaget (Han et al. 2011; Zhang et al. 2016).
2.4 Spillvärmeförluster
Det finns flera definitioner av vad som menas med spillvärme och i denna studie används samma definition som uttrycks i rapporten från svenska miljöinstitutet där Arnell et al. (2013) hävdar att industriell restvärme avser värme bunden till vätskor eller gaser från en process som inte utnyttjas och som inte kan utnyttjas internt som resurs. Det är värme från industriella processer som frigörs till omgivningen eller behöver kylas. Ytterligare förtydligande är också att restvärme förloras om den inte används (Gode et al. 2012).
Figur 2. Visar generella värmeförluster i industriella värmebehandlingsprocesser (U.S DoE 2004.)
I figur 2 går det att avläsa vilka generella typer av värmeförluster som kan uppstå i en industriell värmebehandlingsugn. Enligt U.S DoE (2004) kan de olika
formerna av spillvärmeförluster beskrivas som förluster genom ugnens väggar, avgassystem, öppning av ugnsdörr, kylning samt lagrad värme.
Väggförluster uppstår i form av värme som leds genom väggar, tak och golv i värmerummet, se figur 2. När värmen når den yttre väggbarriären i ugnen, strålar den ut till omgivningen eller forslas bort med atmosfärsluft så uppstår det värmeförluster vilket innebär att detta värmespill måste ersättas med samma mängd från förbränningsgaserna och så länge ugnen har en förhöjd temperatur fortsätter denna process.
Värmeförluster kan även uppstå när produkter som skall bearbetas, matas in och ut ur ugnarna via förflyttningsutrustning, till exempel transportband eller produkthängare som kommer in i ugnen med lägre temperatur och lämnar med högre temperatur vilket innebär att det tappas energi från värmerummet i ugnen.
Det tappas även stora mängder energi då ugnen laddas om med nya produkter eller färdiga produkter tas ut ur ugnen när ugnsdörren öppnas, detta sker oftast i snabb takt (U.S DoE 2004).
Alla förluster som nämnts ovan, vägg, transport- och öppningsförluster konkurrerar med arbetsbelastningen av den frigjorda energin från förbränningen av bränsle-luftlandningen. Dessa spillvärmeförluster är dock små i relation till den viktigaste källan av alla förlusterna, rökgaser (flue losses) (U.S DoE 2004). Värmeflöde från en källa med högre temperatur går alltid mot en omgivande källa med lägre temperatur.
Om produkter i en ugn värms upp till t.ex. 700–900 °C kan inte förbränningsprodukterna avge mer värme till ugnen och lasten, så de måste överges. Vid en temperatur på ungefär 700–900 °C innehåller förbränningsprodukterna fortfarande väldigt mycket av den initiala termiska energin, rökgasförlusterna genom ugnens avfacklingsrör blir då mellan 40–65%
(M.A. Diop et al. 2017). Resterande 35–60% som stannar kvar i ugnen kallas för tillgänglig värme. Produkterna i ugnen tar alltså emot den tillgängliga värmen
2.5 Tidigare forskning
Enligt Naturvårdsverket (2004) finns det tre generella hinder för spillvärmeprojekt, samarbete, politik och ekonomi.
Hindret samarbete omfattar bristfällig kommunikation och samarbete mellan inblandade parter. Många fjärrvärmebolag är kommunalt ägda vilket betyder att de inte har ett incitament för att generera vinst eller genomföra stora investeringar.
Politiska hinder innefattar politisk inställning till spillvärmeprojekt både på kommunal och nationell nivå. På kommunal nivå är det viktigt att kommunen stöttar parterna genom att förenkla den nödvändiga kontakten med myndigheter som projektet kräver. På nationell nivå kan olika typer av styrmedel underlätta för att spillvärmeprojekt ska kunna genomföras.
Ekonomiska hinder innefattar att det helt enkel innebär för stora kapitalinvesteringar. Kommunalägda fjärrvärmeföretag kan ha problem att få finansiärer för att genomföra ett spillvärmeprojekt. Vidare diskuteras att privatägda verkstadsindustrier kan ha svårt att övertala ägaren till industrin att investera i sådant som inte direkt berör den tillverkade produkten.
Ett verkstadsföretag kan ta tillvara på spillvärme för intern användning men även sälja den återvunna energin till externa aktörer (Thekdi och Belt 2011).
Fanisalek et al. (2011) menar att vid en studie om spillvärmeåtervinning är viktigt att hitta potentiella användare av den återvunna energin.
Vid återvinning av spillvärme från utrustning i en verkstadsindustri, exempelvis en industriell ugn, så är det viktigt att värmeåtervinningen inte påverkar tillgängligheten för utrustningen. Om tekniska problem uppstår vid återvinning så ska inte kärnprocessen för utrustningen behöva stoppas. Om produktionen behöver stoppas så kan det få ekonomiska konsekvenser för företaget (Vatanakuli et.al. 2011). Vance et. al. (2019) menar att det finns tekniska problem
relaterade till återvinning av spillvärme från rökgaserna i industriella ugnar.
Mycket underhåll, kort livslängd på utrustning och i vissa fall säkerhetsrisker.
O ‘Reilly och Jeswiet (2014) nämner att det finns ett hinder i företags attityd till hållbar produktutveckling. De menar att man inte bör se effektivitetskrav som ett problem utan istället se det som en möjlighet att uppnå både ekonomiska och miljömässiga fördelar. De i nuläget tillgängliga teknikerna för tillvaratagandet av spillvärme måste bli bättre för att accepteras fullt ut av industrier.
Nya teknologier, som till exempel implementering av spillvärmeåtervinningssystem kan innebära störningar i produktion och att det kan saknas kapacitet inom industrierna för att genomföra energieffektivisering på grund av en störning i produktionen kan kosta företaget mycket kapital och tid under implementeringen (Si et al. 2011). Författarna hävdar även att det finns en problematik gällande industriers vilja att implementera energieffektivisering till följd av en rad faktorer som bristande kapital och implementeringens eventuella störning av produktion är sådana faktorer. Konventionella metoder för tillvaratagande av spillvärme inkluderar exempelvis rekuperatorer och regeneratorer.
Besseling et. al. (2016) studie identifierar barriärer för spillvärmeprojekt i Storbritannien. Studien nämner barriärer som påverkar företags implementering av tillvaratagande av spillvärme. Enligt studien hindrades spillvärmeprojekt av att företag ansåg att projektet innebar för höga förskottsbetalningar och långa Pay-back tider. Vidare hade företagen i vissa fall lågt förtroende för tekniker för tillvaratagande av spillvärme och uppfattade det som att kvaliteten på den producerade produkten kunde påverkas negativt av integrationen mellan tillvaratagande-teknik och befintlig teknik. Studien nämnde även att företagen lade relativt liten vikt på energieffektivisering. De prioriterar andra projekt varpå energieffektiviserings-utredningar får mindre resurser. Detta kan försvåra att ett
Choate et. al. (2008) studie resulterade i att barriärer för tillvaratagandet av spillvärme i amerikanska industrier identifierades. Studien menar att långa Pay- backtider, dyra material och- underhållskostnader är hinder för återvinning av spillvärme. Om ett klart användningsområde för tillvaratagen spillvärme saknas så skapar det problem för ett beslut om tillvaratagande. Temperaturrestriktioner i form av för höga eller för låga temperaturer kan också innebära problem för tillvaratagandet av spillvärme. Vidare så diskuteras även i denna studie att det finns en oro bland företag att tekniken för tillvaratagande av spillvärme ska interferera med den befintliga processtekniken. Begränsad yta i fabriker uppges i studien vara ett problem för att implementera tekniker för tillvaratagande av spillvärmeflöden.
3 Metod
I detta kapitel presenteras den metod som utövas och kapitlet börjar inledningsvis med det praktiska tillvägagångssättet för studien samt en presentation av metodval som författarna tillämpade för fallstudien. Därefter presenteras studiens genomförande och vilka datainsamlingsmetoder som användes, dessa kommer sedan att vara studiens grundpelare för att avslutningsvis kunna besvara studiens forskningsfrågor.
3.1 Praktiskt tillvägagångsätt
Figur 3: Översikt av det praktiska tillvägagångssättet för studien.
Större delen av studien uppgick i att studera tidigare forskning och kunskap genom litteraturstudier för att ta fram olika relevanta lösningsmetoder genom att relatera till befintlig kunskap. Dessa lösningsmetoder kombinerades sedan med befintliga och insamlade data och resulterade i en sammanställning av olika
lösningsmetoder. Metoderna testades sedan teoretiskt och hos verkstadsföretaget för att avgöra vilket metodval som var lämpligast och genomförbar för studien och verkstadsföretaget genom att analysera och testa lösningsmetoden. Genom att följa detta praktiska tillvägagångsättet, se figur 3, kunde resultatet återkopplas till tidigare forskning och kunskap för att påvisa vilka likheter och skillnader det fanns från tidigare studier och undersökningar.
3.2 Fallstudie
Då studien undersöker potentialen med spillvärmeåtervinning i tillverkningsindustrin var det lämpligt med en fallstudie och innebär att en undersökning av ett specifikt fall görs, ett verkstadsföretag med tillgänglig spillvärmeflöde i det här fallet. Fallstudien innebar en möjlighet till djupdykning inom undersökningsområdet och ämnet i detalj som annars kanske inte hade varit möjligt genom att endast studera litteratur och tidigare forskning. Med hjälp av en fallstudie var det möjligt att studera vad som försiggick i miljön samt erhålla förklaringar och skäl till att vissa händelser inträffade.
Fallstudien användes för att undersöka och testa de teorier som hade studerats genom litteraturstudier och tidigare forskning. Syftet med fallstudien var att undersöka om en teori faktiskt kommer inträffa i praktiken i en verklig miljö.
Undersökningen hjälper till att besvara om teorin kommer förstärkas eller om teorin endast fungerar under specifika villkor och förutsättningar.
En fallstudie undersöker normalt sett någonting som redan existerar, vilket i det här fallet handlar om spillvärme från verkstadsindustrin som inte tillvaratas. Det är inte någonting som skapas just för studien, fallet existerar redan innan undersökningen påbörjas och kommer fortsätta existera efter att studien avlutas.
I fallstudien användes en kvalitativ undersökning som tillämpades med olika former av forskningsmetoder som insamling av primär- och sekundärdata, observationer och intervjuer. Med hjälp av en kombination av lämpliga forskningsmetoder för undersökningen var det möjligt att få en helhetssyn.
Upptäckterna från de olika forskningsmetoderna såsom observationer, intervjuer och datainsamling i fallstudien användes till att utveckla teorier samt lösningsmetoder genom att analysera informationen och situationen för att sedan lägga fram lösningsförslag eller hypoteser som kan förklara varför och vad som händer i den specifika miljön. Resultatet av fallstudien användes för att testa och undersöka studiens forskningsfrågor och de teorier som utvecklats i tidigare forskning och kan ses som en pågående process (Denscombe 2014).
3.3 Undersökningsutgångspunkt
Studien utformar sig enligt deduktiv forskning. Deduktiv forskning innebär att man skapar vissa förväntningar om utfallet av studien. Dessa förväntningar anskaffades genom litteraturstudier.
Deduktivansats innebär även att information samlas in i tidigt skede och ligger därefter som en grund för den kommande datainsamlingen. Empiri samlades in för att sedan testa om förväntningarna överensstämde. I teorikapitlet har en litteraturstudie utförts där spillvärmens potential att generera ekonomiska och miljömässiga fördelar undersökts (Jacobsen 2002). Med litteraturstudien som utgångspunkt utformades metodkapitlet med insikten att spillvärmeflödet i det aktuella företaget har potential att generera fördelar.
Metoden syftar till att implementera en teknik för återvinning av spillvärme i det aktuella fallet som kan bekräfta resultatet av litteraturstudien om att spillvärme kan generera ekonomiska och miljömässiga fördelar för ett verkstadsföretag.
3.5 Genomförande
För att undersöka studiens forskningsfrågor utfördes en fallstudie hos verkstadsföretaget Epiroc Drilling Tools AB i Fagersta. Under perioden aug 2019 - jan 2020 genomfördes det ett antal fältbesök hos verkstadsföretaget där primär- och sekundärdata samlades in.
Tabell 1: Sammanställning av datainsamling under studiens period.
Händelse Period Antal
Fältbesök Fagersta Aug 2019-Jan 2020 10 dagar
Observationer Aug 2019-Dec 2019 10 dagar
Kvalitativa Intervjuer Sep 2019-Jan 2020 7 stycken Litteraturstudier Aug 2019-Jan 2020
Inledningsvis utfördes observationer på plats hos det aktuella verkstadsföretaget i Fagersta. Tillsammans med en teknisk ansvarig för företagets värmebehandlingsprocess genomfördes en rundvandring i fabriken där den anställde gav en djupare förklaring på hur värmebehandlingsprocessen fungerade. Dessa observationer låg till grund för analys av vilka spillvärmeflöden som ansågs ha störst potential för tillvaratagande i det aktuella fallet.
3.5.1 Datainsamling
Relevant information har samlats in genom både primär- och sekundärdata.
Primärdata har samlats in genom utförda öppna mailintervjuer, intervjuer och diskussioner med utvalda deltagare hos verkstadsföretaget med lämpliga positioner för studien.
Sekundärdata har samlats in genom tidigare forskning och litteraturstudier vilket återfanns i vetenskapliga artiklar, böcker, journaler och med mera. Användning av flertalet informationskällor vid fallstudier innebär att studiens författare och forskare kan anskaffa sig ett bredare spektrum och få ett bättre helhetsperspektiv (Yin 2007).
Tabell 2: Beskriver dem primär- och sekundärdata som användes för att få underlag för studiens forskningsfrågor.
3.5.2 Intervjuer och diskussioner
Vid datainsamling genom intervjuer befann sig studiens författare på plats hos verkstadsföretaget. Då möjligheten till samverkan samt bättre förståelse och djupare förklaringar är högre än vid klassiska enkät- eller frågeformulär. Fastän man har en röd tråd i studien samt undersökning så brukar fallstudieintervjufrågorna inte vara rigida utan flexibla och öppna (Yin 2007).
Kvalitativa personliga intervjuer utfördes för att ta reda på vilka problem och hinder som kunde uppstå vid återvinning av spillvärmen i verkstadsföretaget.
Intervjuerna genomfördes med utvalda anställda i verkstadsföretaget med följande positioner, miljösamordnare, kvalitetingenjör, strategisk inköpare, produktionsingenjör, avdelningschef och produktionsoperatör. Utöver på plats intervjuer genomfördes även mailintervjuer med anställda när författarna eller de personer som skulle intervjuas inte hade möjlighet för en på plats intervjuer.
Öppna diskussioner i form av samtal med anställda genomfördes med flertalet anställda kring forskningsområdet, både på kontoret och i produktionen hos verkstadsföretaget.
Primärdata Underlag för Sekundärdata Underlag för Intervjuer Forskningsfråga 1,
2 och 3
Litteraturstudier Forskningsfråga 1, 2 och 3
Diskussioner Forskningsfråga 1 Tidigare mätningar
Forskningsfråga 1 och 2
Mätningar Forskningsfråga 1 och 2
Tidigare
undersökningar
Forskningsfråga 1, 2 och 3
Observationer Forskningsfråga 1
3.5.3 Observationer
Observationer utfördes i produktionen med bland annat teknisk ansvarig. Den information som samlades in skapade underlag för tillgängliga spillvärmeflöden och vilken yta det fanns att arbeta med samt vilka begränsningar som fanns att tänka på i verkstaden. Observationerna genomfördes i verkstadsföretagets produktion för att få en överblick över vad som var möjligt gällande eventuell implementering och installation av olika tekniska lösningar.
3.5.4 Litteraturstudier
Litteraturstudier samt tidigare forskning var den sekundärdata som samlades in och peer-reviewed litteraturstudier har använts för att få en djupare kunskap och förståelse för spillvärmens potential som resurs för ett företag. Litteraturstudier inom forskningsområdet söks i bibliotekskataloger och webbaserade databaser tillhandahållna från Karlstads Universitet.
3.6 Trovärdighet
Trovärdighet hos källor anses ha betydelse för att studien skall ske på ett så vetenskapligt sätt som möjligt och skall i studien kontinuerligt ifrågasättas. Enligt Jacobsen (2002) finns det fyra lämpliga insamlingsmetoder för kvalitativa data: Individuell intervju, gruppintervju, observation och dokumentundersökning. Studien använde sig utav mailintervjuer, personliga intervjuer och dokumentundersökning. En studies reliabilitet och validitet anger dess tillförlitlighet respektive giltighet.
Enligt Jacobsen (2002) innebär giltighet huruvida mätdata som skall studeras bedöms. Reliabiliteten av studien kan påverkas av temporära egenskaper som personer besitter när de svarar på intervjufrågor. Dessa kan vara hälsa, trötthet, emotionell ansträngning. Dessa egenskaper kan påverka vilket sätt respondenterna svarar på frågorna (Wienclaw 2019). Vidare kan respondentens motivation i det ämne som intervjuerna berör påverka deras svar. Om ämnet inte är av intresse för denne så kan det medföra att frågorna inte svaras på i den utsträckning som önskas (Wienclaw 2019).
Intervjuareffekt och kontexteffekt kan också spela roll. Intervjuareffekt innebär att närvaron av intervjuaren kan påverka resultatet. Jacobsen (2002) menar att det finns ett samband mellan metod och tillförlitlighet.
Dokumentundersökningens tillförlitlighet kan ha påverkats av att författarna inte har kontroll över möjliga felkällor. Validiteten anger till vilken grad en undersökning mäter det den är avsedd för att mäta (Wienclaw 2019). Vid insamling av kvalitativa data så är det viktigt att man granskar vad de olika metoderna faktiskt mäter (Jacobsen 2002).
4 Fallstudie
4.1 Epiroc AB
Epiroc AB bildades i Stockholm när det 2018 knoppades av från Atlas Copco.
Epiroc har idag ca 14 000 medarbetare och är börsnoterat på Nasdaq Stockholm samt hade under 2018 intäkter på 38 Miljarder SEK. Epiroc levererar gruv- och anläggningsprodukter i form av borriggar, bergborrverktyg och anläggningsutrustning till gruv- och infrastrukturindustrin. Epiroc producerar sina produkter i Sverige, USA, Kanada, Kina och Indien (Epiroc Sweden. u.å.).
Epiroc Drilling Tools AB i Sverige har sin produktion i Fagersta.
Figur 4. Flygfotografi av Epiroc Drilling Tools AB i Fagersta (L. Ahlbäck 2018)
4.2 Spillvärmeåtervinningsfaktorer
Spillvärme som kan återvinnas från industriella processer varierar beroende på vilken typ av kvalitet det är på spillvärmemängderna. Med hjälp av spillvärmekartläggning går det att avgöra var i verkstaden som det är mest optimalt att ta tillvara på spillvärme och ett antal faktorer måste fastläggas enligt Thekdi et al. (2011):
• Tillgänglighet
• Temperatur samt möjlig tidsvariation
• Flödeshastighet variation
• Tryck
• Ämnesinnehåll
Det kan uppstå oönskade begränsningar om spillvärmeflödet är cykliskt eller oregelbundet. Energiinnehållet påverkas av faktorerna flödeshastighet samt temperatur. För implementering av den tekniska utrustningen samt lösningen är trycket på spillvärme avgörande. Det kan uppkomma problem och hinder gällande värmebäraren om man inte känner till ämnesinnehållet och det är därför önskvärt att dessa faktorer är kända för att på så sätt kan man skapa en säker och driftoptimal lösning.
4.3 Spillvärmekartläggning Öppningar
Som tidigare nämnt finns det ett antal spillvärmefaktorer som bör tas hänsyn till för optimalt utnyttjande av spillvärmeflöden. Öppningsförluster uppstår när ugnens dörr öppnas vid in- och utflöde av material och produkter. När detta sker så strömmar värme som finns i ugnen ut till omgivningen som sedan forslas iväg med atmosfärsluften och det är väldigt svårt att återvinna detta på ett effektivt sätt. Dessa öppningar sker under korta tidsintervaller vilket innebär att det handlar om relativt liten och oregelbunden spillvärmemängd.
Avfackling
En typisk metod för spillvärmeåtervinning inom järn- och stålindustrin är återvinning av spill i form av rökgaser från produktionsprocesserna (Jouhara et al. 2018) som demonstrerades av Almahmoud et al. (2017) i ett experiment från en värmekälla på omkring 450 °C. I ugnarna används kolväten i form av metanol och propan. Dessa gaser är inte lämpliga att släppa ut i fabriken varpå dessa förbränns vid en avfackling till rökgaserna koldioxid och vattenånga. Varma rökgaser som extraheras från ugnsröret kan innebära en utmärkt värmekälla med goda möjligheter för återvinning av spillvärme med användning av värmeledningar (Zhang et al. 2015). Vid denna avfackling erhålls ett spillvärmeflöde vars temperatur ligger inom intervallet för högvärdig spillvärme.
I nulägets så tas inte denna tillvara på i fabriken. Denna avfacklingsprocess sker vid varje ugn i fabrikens totalt 24 ugnar.
Ett potentiellt tillvaratagande av detta spillvärmeflöde anses vara intressant att studera som tidigare nämnts i teorikapitlet så är rökgasförlusterna väldigt
Figur 5: Visar hur en avfackling av rökgaser ovanför ugnarna kan se ut (N.F. 2019) Väggförluster
Väggförluster är spillvärme som uppstår genom värmekammarens (ugnens) väggar, golv och tak. Detta sker genom att värme går igenom ugnens yttre barriärer och ut i omgivningen som sedan forslas iväg med omgivande luft vilket i sin tur är svårt att återvinna på ett effektivt sätt. Dessa väggförluster sker kontinuerligt så länge ugnen är igång men det handlar om relativt små mängder och temperaturen är låg på grund av den isolering som ugnens yttre barriärer generellt har.
4.4 Verkstadens industriella ugnar
I verkstadens värmebehandling finns det ett stort antal industriella ugnar av fyra olika modeller, gropugn, Ipsenugn, Sarlinugn och Aichelinugn. Information om dessa ugnar och deras drifttimmar per år redovisas i tabell 3, vidare samlades genomsnittliga mätdata för temperatur vid avfackling samt gasflöden för varje ugn.
Ugnarna drivs av elektricitet för uppvärmning och använder gaser i form av metanol, propan, kväve och vätgas för att ändra stålets sammansättning. Stålets mikrostruktur och materialegenskaper ändras med hjälp av den kemiska reaktionen från de kolväten som skjuts in i ugnarna för att uppnå önskat resultat på stålet. Gaserna i ugnen är inte lämpliga att släppa ut i fabriken varpå dessa förbränns vid en avfackling. Rökgaserna innehåller bland annat koldioxid och vattenånga.
Tabell 3: Visar vilka typer av ugnar verkstaden använder samt deras driftinformation.
Ugn
Drifttimmar/år Genomsnittlig temperatur
vid avfackling (◦C) Genomsnittligt gasflöde (kg/h)
Gropugn 8760 500 (◦C) Metanol: 0,19
Propan: 3,96 Kväve: 6,26
Ipsenugn 8760 500 (◦C) Metanol: 0,19
Propan: 3,96 Kväve: 6,26
Sarlinugn 8760 500 (◦C) Metanol: 0,19
Propan: 3,96 Kväve: 6,26
Aichelinugn 8760 500 (◦C) Metanol: 0,19
Propan: 3,96 Kväve: 6,26 Vakuum
sintringsugn 8760 650 (◦C) Vätgas: 3,37
4.5 Mätvärden
Verkstaden har avancerade och moderna system som automatiskt loggar data för gaser, flöden, temperaturer och relevant information kring bearbetningsprocessen. Processerna och ugnarna hade relativt lika gas-input och det gjordes därmed ett antagande om lika mängd gas-input och spillvärmeoutput för alla ugnar av samma typ. I dagsläget använder verkstadsföretaget en relativt liten del av spillvärmen till att värma upp ett närliggande lagertält men inte mer än så, det finns mycket god potential att återvinna spillvärmemängder från produktionen och dess bearbetningsprocesser.
4.6 Metod beräkningar avfackling
Vid denna avfackling erhålls ett spillvärmeflöde vars temperatur ligger inom intervallet för högvärdig spillvärme. I dagsläget återvinns inte denna spillvärmeform i fabriken. Denna avfacklingsprocess sker vid varje ugn i fabrikens värmebehandlingsugnar. Utöver dessa värmebehandlingsugnar finns
det även vätgas-sintringsugnar som genererar spillvärmeflöde vid avfacklingen men med annat ämnesinnehåll och annan temperatur.
4.7 Förbränningsprocess i industriell ugn
I denna sektion introduceras ekvationer för förbränning av kolväte som sker i ugnarna. I atmosfärisk luft finns syre som är oxideringsmedlet. Volymmässigt består atmosfärisk luft av 21 procent syre (O2) och 79 procent kväve (N2), vilket innebär att varje mol syre som behöver oxidera kolväten åtföljs av 79/21=3,76 mol kväve. Med hjälp av denna kombination fås luftens molekylmassa till 29 kg/kmol. Kvävet genomgår normalt inte någon kemisk reaktion (Alvarez, H.
2006).
Grundläggande förbränningsprocess som sker i ugnarna kan beskrivas genom att kolväten (bränsle) plus luft (oxideringsmedel), som kallas för reaktanter, genomgår en kemisk reaktion vid en viss temperatur för att bilda produkter.
I den simpla förbränningsprocessen, även kallad för stökiometrisk förbränning, så bildar all kol i bränslet, produkten koldioxid (CO2) och allt väte bildar i sin tur produkten vatten (H2O), den kemiska processen och reaktionen kan beskrivas i figur 6 nedan.
Figur 6: Förbränningsprocess i industriell ugn, visar reaktanter som går in i ugnen och produkter ut (Bayless 2019).
Reaktionsbalans för bränsleförbränning med luft (Bayless 2019):
𝐶𝑥𝐻𝑦+ 𝑧(𝑂2+ 3.76𝑁2) → 𝑎𝐶𝑂2+ 𝑏𝐻2𝑂 + 𝑐𝑁2+ 𝑑𝑂2 (1)
där z benämns som stökiometrisk koefficienten för oxidationsmedlet.
Enligt Bayless (2019) beräknas reaktionen i ekvation (1) och ger 5 okända variabler, z, a, b, c och d och detta behöver då fem ekvationer för att lösas. Vid stökiometrisk förbränning antas att det inte finns något överskott av syre i produkterna, vilket innebär att d=0.
Resterande variabler fås genom att balansera antalet atomer i varje element hos reaktanterna, det vill säga kol, väte, syre och kväve med antalet atomer hos produkterna. Balanseringen innebär att ingen atom förstörs eller förloras i förbränningsreaktionen (Bayless (2019). Med hjälp av ekvation (1) samt formel är det möjligt beräkna rökgasflödet ur ugnarna.
Tabell 4: Visar de fyra okända variablerna i ekvation (1) (Bayless 2019)
Grundämne Mängd in reaktanter → Mängd i Produkter Ekvation
Kol (C) x a a = x
Väte (H) y 2b b = y/2
Syre (O) 2z 2a+b z = a + b/2
Kväve (N) 2 (3.76) z 2c c = 3.76z
4.7.1 Spillvärmemängd för propangas C3H8 genom stökiometrisk förbränningsprocess
Propan (C3H8) förbränns, ett antagande som gjordes var 20 procent överskottsluft som kommer in i ugnen vid 25°C. Förutsatt fullständig förbränning och ett totalt tryck på 1 atmosfärstryck (101,32 kPa).
Då det var svårt att beräkna exakt mängd luft som injicerades, gjordes ett antagande om 20% överskottsluft (120% teoretisk luft) vilket gav formeln nedan för balansering av den kemiska reaktionen mellan propan och luft:
Kemisk balansekvation för propan C3H8:
𝐶3𝐻8+ 6(𝑂2+ 3.76𝑁2) → 3(𝐶𝑂2) + 4(𝐻2𝑂) + (0.2)𝑧(𝑂2) + (1.20)(3.76)𝑧(𝑁2) (2)
Genom att göra en syrekomponent balans i ekvation (2), fås z=3+2=5
𝐶3𝐻8+ 6(𝑂2+ 3.76𝑁2) → 3(𝐶𝑂2) + 4(𝐻2𝑂) + (1)𝑧(𝑂2) + (22.56)(𝑁2) (3)
Tabell 5: Molmassa för propangas, koldioxid, vattenånga och kvävgas
Gas 𝐶3𝐻8 𝐶𝑂2 𝐻2𝑂 𝑁2
M gram/mol 44,10 44,01 18,02 18,02
Massflöde
input 0,19 kg/h
Propangasflödet som ugnarna använder sig av är i genomsnitt 0,19 kg/h, vilket ger 33 300 kg per år med en drifttid på 8760 timmar per år. Med hjälp av följande formler kan de totala rökgasprodukternas vikter per år beräknas, sen omvandlas till massflöde.
𝐂𝐎𝟐
(𝐶3𝐻8) 𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑖 𝑔𝑟𝑎𝑚 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8
(𝑀 𝐶3𝐻8) 𝑚𝑜𝑙𝑔 ∗ 3 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8 ∗ 𝑀(𝐶𝑂2)𝑔
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2= 𝑉𝑖𝑘𝑡 (𝑔𝑟𝑎𝑚) 𝐶𝑂2 (4)
𝐇𝟐𝑶
(𝐶3𝐻8) 𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑖 𝑔𝑟𝑎𝑚 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8
(𝑀 𝐶3𝐻8) 𝑔
𝑚𝑜𝑙
∗ 4 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8 ∗𝑀(𝐻2𝑂) 𝑔
1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂= 𝑉𝑖𝑘𝑡 (𝑔𝑟𝑎𝑚) 𝐶𝑂2 (5)
𝐍𝟐
(𝐶3𝐻8) 𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑖 𝑔𝑟𝑎𝑚 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8
(𝑀 𝐶 𝐻) 𝑔 ∗ 22.56 𝑚𝑜𝑙 𝑁2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻 ∗ 𝑀(𝑁2)𝑔
1 𝑚𝑜𝑙 𝑁 = 𝑉𝑖𝑘𝑡 (𝑔𝑟𝑎𝑚) 𝑁2 (6)
4.7.2 Spillvärmemängd för Metanol CH3OH genom stökiometrisk förbränningsprocess
Metanolens förbränningsprocess kan beräknas på samma sätt som för propan i sektionen 3.9.8 och med hjälp av ekvationerna (4), (5) och (6). Vid denna beräkning byts propans egenskaper bara mot metanolens egenskaper.
Förbränningen sker under samma villkor och antaganden som för propan i ugnen.
Kemisk balansekvation för metanol:
2𝐶𝐻3𝑂𝐻 + 3𝑂2→ 2𝐶𝑂2+ 4𝐻2𝑂 (7)
Tabell 6: Molmassa för metanol, koldioxid, vatten- och kvävgas
Gas Flöde
CH3OH CO2 H2O N2
M gram/mol 32,04 44,01 18,02 18,02
Massflöde input 3,96 kg/h
4.8 Tillgänglig mängd spillvärme
Mängden tillgänglig spillvärme kan beräknas med ekvationen som visas nedan.
Q = V × ρ × Cp × ΔT (8)
där Q (J) är värmeinnehållet, V är ämnets flödeshastighet (m3 / s), ρ är densiteten för rökgasen (kg / m3), Cp är ämnets specifika värme (J / kg. K) och ΔT är skillnaden i ämnets temperatur (Kelvin) mellan den slutliga högsta temperaturen i utloppet (Tut) och den initiala temperaturen i systemets inlopp
5 Resultat
5.1 Spillvärmekartläggning
Litteraturstudier samt observationer i verkstaden visade att spillvärme vid avfackling av gaser har högst potential för återvinning då de uppfyller kritiska faktorer som enligt Thekdi et al. (2011):
• Tillgänglighet
• Temperatur samt möjlig tidsvariation
• Flödeshastighet variation
• Tryck
• Ämnesinnehåll
Spillvärme i form av rökgaser vid avfacklingen flödar konstant och så länge ugnarna arbetar, är tillgängligheten på spillvärme hög. Verkstadens ugnar är igång 8760 timmar per år och går aldrig under temperaturen 600 ◦C.
Det produceras inte i produktionen under en 2 veckorsperiod per år, på grund av underhåll men ugnarna är dock fortfarande igång då en total avstängning skulle kyla ned ugnarna från extremt hög temperatur till mycket låg i relation, vilket skulle kunna leda till sprickbildning i ugnsväggarna enligt teknisk ansvarig på företaget. Verkstadsföretaget väljer av den anledningen att hålla igång ugnarna, dock vid en lägre temperatur som är ca 600 ◦C istället för ca 900 ◦C.
Temperaturen vid avfacklingarna observerades och mättes under en kort period och visades i genomsnitt ligga runt 500 ◦C för värmebehandlingsugnarna hos företaget, vilket handlar om högvärdig spillvärme enligt Brückner et al. (2015).
Ugnarna har ett automatiskt kontrollerat gasflödesystem som injicerar de gaser som behövs för att uppnå de önskade materialegenskaper hos stålet men i undersökningen används ett genomsnittligt gasflöde för de olika gaserna per timme och kan ses i tabell 7. Avfacklingen sker vid atmosfärstryck ovanför ugnarna med ett ämnesinnehåll som kan avläsas i tabell 7.
Värmebehandlingsugnarna använde i genomsnitt lika stor mängd gasförbrukning enligt teknikansvarig i verkstaden samt analyserade data från ugnarnas automatiska system. Därmed gjordes ett antagande om en
