Energieffektiviserande åtgärder för ugnar

I en ugn finns bland annat följande möjligheter att minska energiförbrukningen per ton värmt material:
 

Minska rökgasförlusterna genom värmeväxling mellan rökgas och förbränningsluft:

  • TUMREGEL: Per 100 °C högre temperatur på förbränningsluften - 5 % enheters bränslebesparing!
  • Rekuperativ teknik
  • Regenerativ teknik

Minska rökgasförlusterna genom ökad värmeväxling mellan rökgas och stålämne:

  • Förlänga ugnen i inmatningsänden
  • Öka härdareatäckningen 
  • Undvika att ugnen körs halvfull

Minska rökgasernas volym (eg massa):

  • TUMREGEL: För att upphetta 1 N kväve från 25 till 1300 °C krävs ca. 0,04 MJ vilket motsvarar ca. 40 g gasol.
  • Oxy-fuel teknik
  • Undvika läckluft (hålla rätt ugnstryck)
  • Undvika för höga luftkvoter

Minska förlusterna via oförbränt bränsle:

  • Undvika för låga luftkvoter

Minska förlusterna via ugnens väggar och öppningar:

  • Hålla ugnsinfodringen i trim
  • Se till att ugnen är tät

Minska tomgångskörningen:

  • Effektivare lastning
  • Bättre planering

Säkra optimal värmningskurva:

  • Bra styrsystem
  • Korrekta temperaturberäkningsmodeller
  • Undvik att övervärma stålet

Minska materialförlusterna:

  • Säkra produktkvalitén för att minska omklassning/kassationer
  • Hålla glödskalsbildningen nere

Återta rökgasenergi innan skorstenen:

  • Installera en avgaspanna
  • Kondensera rökgasen
  • Undvika att ugnen körs halvfull

     
 

Olika tekniker

Värmeväxling

Från varje bränsleeldad ugn avgår heta avgaser. Avgaserna innehåller mycket energi som helst skulle återföras till ugnen på något sätt för att därigenom minska bränsleförbrukningen. Ett vanligt sätt att återföra energi till ugnen är att förvärma inkommande kall förbränningsluft med energi från utgående varma ugnsavgaser. Detta sker med hjälp av en värmeväxlare som kan vara rekuperativa eller regenerativa. Som en tumregel kan nämnas att för varje 100-tal grader som förbränningsluften värms så minskar bränsleförbrukningen med cirka 5 %. Vanliga förvärmningstemperaturer är 300-400 °C eller högre. Dessa temperaturer medför bränslebesparingar på 15-20 %.

Om förvärmningstemperaturerna överstiger cirka 450 °C uppstår svårigheter, dels måste dyrare material väljas i rekuperatorer och rörledningar, dels kommer bildningen av kväveoxider vid förbränningen att öka. Med dagens bränslepriser och modern förbränningsteknik är det ofta lönsamt att gå upp till höga förvärmningstemperaturer och med modern förbränningsteknik begränsas kväveoxidbildningen.

Internt i speciella, så kallade regenerativa brännare kan förvärmningstemperaturer som konstant ligger endast 100-200 °C lägre än ugnstemperaturen uppnås. Efter en rekuperator i avgassystemet är det vanligt att det finns en avgaspanna för återvinningen av restenergi i form av ånga eller hetvatten. I detta sammanhang är alltså en avgaspanna en värmeväxlare och inte en konventionell panna. Det finns flera olika typer av värmeväxlare, exempelvis plattvärmeväxlare, batterivärmeväxlare och roterande värmeväxlare.


Plattvärmeväxlare:

En plattvärmeväxlare är en typ av direkt värmeväxling. I denna sorts värmeväxlare skiljs till- och frånluften av tunna väggar. Värme transporteras via skiljeväggen från frånluften till tilluften. Ungefär 60 % av värmen kan därigenom återvinnas. För att kunna installera denna typ av värmeväxlare krävs det att alla till- och frånluftskanaler sammanfaller.
 

Batterivärmeväxlare:

I ett FT-system med batterivärmeväxlare placeras batterier i till- och frånluftskanalerna. Genom att pumpa vätska mellan batterierna överförs värme från frånluften till tilluften. Med denna metod kan cirka 50 % av värmen återvinnas. Fördelen med detta system är att till- och frånluftskanalerna inte behöver sammanfalla. Systemet kan också installeras i redan befintliga FT-system.
 

Roterande värmeväxlare:

I en roterande värmeväxlare finns en rotor som drivs av en elmotor. Tilluften passerar genom den ena halvan av rotorn och frånluften den andra halvan. Således kommer samma rotordel att varannan gång passeras av varm luft och varannan gång av kall luft och på så sätt kan värme överföras från frånluften till tilluften. Genom att använda en roterande värmeväxlare kan cirka 75 % av värme återvinnas. Det är också möjligt att överföra en del fukt från frånluften till tilluften.
 

Rekuperativ teknik

Regenerativ teknik är en teknik för att höja verkningsgraden vid förbränning. Rekuperativ förvärmning innebär att luften i en förbränningsprocess förvärms i en rekuperator. I rekuperatorn värmeväxlar de heta rökgaserna med den kalla förbränningsluften genom en skiljevägg. Detta till skillnad från användandet av en regenerator då heta rökgaser och kall förbränningsluft omväxlande passerar ett värmelagrande material. Rekuperatorn kan antingen placeras bredvid ugnen och ta emot hela avgasvolymen och förvärma hela luftvolymen som sedan fördelas på enskilda brännare, eller sitta i varje enskild brännare som tar emot en delmängd av avgasvolymen och värmer den luftmängd som passerar genom den brännaren.

Med rekuperativ brännare menar man en brännare med inbyggd rekuperator. Med en rekuperator brukar den förvärmda luften nå temperaturer på upp till 650 °C beroende på processtemperaturen, och temperaturen på avgaserna som lämnar rekuperatorn till skorstenen är ungefär 200-400 °C. Lägre temperatur på den förvärmda luften och högre temperatur på rökgaserna än vid tillämpandet av regenerativ teknik gör att den värme som kan återvinnas är lägre än i det regenerativa fallet. Därför använder man oftast en panna för att ta till vara på rökgasernas värme efter rekuperatorn. Vid rekuperativ förbränning designas ofta brännaren för att minimera NOx-utsläppen. Detta kan ske på flera sätt exempelvis genom stegvis luftintroduktion eller förhöjd injektionshastighet.
 

Regenerativ teknik

Regenerativ teknik är en teknik för att höja verkningsgraden vid förbränning genom att tillvarata rökgasenergin i regeneratorer. Med en god brännardesign kan också NOx-utsläppen vid förbränning minskas och värmeöverföringen förbättras. Vid regenerativ förvärmning värmeväxlas de heta rökgaserna och förbränningsluften i en regenerator som växelvis passeras av rökgasen och förbränningsluften. Eftersom regeneratorn passeras omväxlande av rökgaser och förbränningsluft, sker alltid regenerativ förbränning via ett regeneratorpar genom vilka fläktar växelvis suger ut rökgaser och blåser in förbränningsluft. Typiskt är således att använda sig av brännarpar som arbetar växelvis, men det finns också exempel på regenerativa brännare med inbyggda regeneratorpar och således kan en regenerativ förbränning genomföras med endast en brännare.

Med regenerativ teknik uppnås högre verkningsgrader än med rekuperativ teknik, detta eftersom en större del av värmen i de heta rökgaserna kan tillvaratas. Den förvärmda luften kan nå temperaturer som ligger endast 100-200 °C lägre än processtemperaturen och temperaturen på de avgaser som lämnar skorstenen är avsevärt lägre än i det rekuperativa fallet (dock högre än 150 °C). Resultatet är en högre verkningsgrad i förbränningen tack vare lägre energiförluster via rökgaserna.

KTH/Energy and Furnace Technology
 

Oxyfuelteknik

Med oxyfuelteknik avses förbränning med syrgas som oxidationsmedel (istället för luft). Användning av syreberikad luft eller rent syre i förbränningen ändrar flammans egenskaper helt och därigenom bränsleekonomin i förbränningen. Den specifika mängden rökgas minskar eftersom mindre eller ingen kväve introduceras i förbränningen och adiabatiska flamtemperaturen stiger. Vidare ökar värmeöverföringen, både den konvektiva och den som sker via strålning. Att använda rent syre istället för luft (21 % O2, 78 % N2, 1 % Ar) gör att man undviker att introducera stora mängder kväve i förbränningen. Kvävet har en negativ effekt på värmningen genom att det inte deltar i förbränningsreaktionerna på annat sätt än som en källa till kväveoxider, som energiballast och som broms för reaktion och värmeöverföring. Dessutom kräver förbränning alltid ett visst syre/luftöverskott vilket ytterligare förstärker ballasteffekten av kvävet.

Med en oxyfuel brännare har man alltså mycket goda förutsättningar att nå höga verkningsgrader även utan regeneratorer och rekuperatorer. Dock finns det ingenting som principiellt hindrar att man utnyttjar dessa tekniker för att höja verkningsgraden ytterligare något vid användandet av oxyfuelteknik men eftersom rökgasvolymerna är betydligt mindre och värmeöverföringen i ugnen bättre än vid luftförbränning är dock inte värmeåtervinningen av lika avgörande betydelse för ugnens verkningsgrad. Teoretiskt tillförs vid oxyfuelförbränning inget gasformigt kväve annat än det som eventuellt finns i bränslet vilket gör att man teoretiskt kan nå mycket låga NOx-utsläpp. För att det inte ska bildas NOx krävs dock att ugnen är tät för att förhindra att luft läcker in i ugnen. Oxyfuelbrännare skiljer sig egentligen inte ifrån en luftbrännare på något annat sätt än att ren syrgas används istället för luft.
 

Korrekt ugnstryck

Att hålla ett korrekt ugnstryck är viktigt för energieffektiviteten i en ugn eftersom inläckage av kall luft som värms till rökgastemperatur och utläckage av varm gas innebär stora energiförluster. Hur mycket gas som strömmar ut eller in i ugnen genom ugnsöppningar kan uppskattas utifrån tryckskillnaden mellan ugn och hall. Att hålla ett lämpligt ugnstryck med hjälp av god tryckreglering är viktigt för att minimera bränsleförbrukningen. Faktum är att såväl vid ett för högt som ett för lågt tryck ökar bränsleförbrukningen.

Vid för högt ugnstryck kommer varm ugnsgas att effektivt strömma ut ur ugnen där ugnen är otät eller genom öppna ugnsluckor varvid värmeenergin i den utströmmande gasen går förlorad. Vid för lågt ugnstryck är det istället kall luft från ugnshallen som tillåts strömma in där ugnen är otät eller genom öppna ugnsluckor varvid energi åtgår för att höja den inströmmande luftens temperatur till ugnens temperatur. Effekten blir densamma som om ugnen kördes med alltför hög luftkvot. Är ugnen oxyfueleldad påverkar dessutom den inströmmande luften till att termisk NOx med högre utsläpp som följd.

Det är svårt att ge bra tumregler för bränsleförbrukningens beroende av ugnstrycket. För det specifika fallet är det dock ganska lätt att uppskatta effekten av ett höjt ugnstryck eller effekten av ett sänkt ugnstryck.
 

Minimera läckluft

När kall luft läcker in i ugnen minskar verkningsgraden i och med att värme går åt till att värma den inläckande luften. Därför är det viktigt att hålla ett korrekt ugnstryck. Vid luftförbränning blir det som att köra ugnen på en högre effektiv luftkvot. Den effektiva luftkvoten kan beräknas från rökgasanalysen. Däremot kan man inte beräkna exakt hur mycket läckluft som kommit in i ugnen så till vida luftkvoten i brännarna inte är känd (då kan läckluften beräknas ur skillnaden mellan den effektiva luftkvoten och luftkvoten i brännarna). Vid oxyfuelförbränning går det att bestämma hur mycket luft som har läckt in direkt från rökgasanalysen. I en oxyfueleldad ugn är det speciellt viktigt att hålla ugnen tät eftersom kvävet i den inläckande luften kan oxideras, med höga NOx-utsläpp som följd.
 

Följ optimal värmningskurva

Med värmningskurva avses en temperatur-tid-kurva som anger hur ett material värms. En optimal värmningskurva säkerställer produktkvalitet med minsta möjliga energiförbrukning och beror av:

  • Materialets, värmeledningsförmåga, värmekapacivitet, tjocklek och i viss mån form.
  • Ugnsutformningen och ugnens kondition.
  • Produktionsförhållanden.
     

Materialet

Den önskade kvalitén på materialet definierar vilka temperaturer som ska nås och när. Vid värmning inför valsning/smide ska stålet värmas till en bestämd valsnings- smidestemperatur. Vid ugnens slut skall denna temperatur ha nåtts i hela stålet. I viss fall begränsas värmningshastigheten av spännings- eller strukturskäl. Vid värmebehandling kan värmningskurvan se ut på många olika sätt. Det finns stålsorter som kräver värmning och kylning i olika etapper enligt ett komplicerat mönster. Materialets värmeledningsförmåga, värmekapacivitet, tjocklek och form bestämmer hur snabbt värmen från ugnen överförs till och i stålet och således temperaturgradienten i materialet.

Det är inte önskvärt att temperaturgradienten inom materialet är för stor: Om materialet ej kan leda värmen in i materialet i samma takt som energi tillförs ytan kan en lokal smältning/avbränna ske. Det gäller alltså att anpassa ugnens temperatur i tiden (batch-ugnar) eller i rummet (kontinuerliga ugnar) så att materialet värms så fort som möjligt utan att för stora temperaturgradienter skapas. I regel avslutas värmningen med en "dragning" vid sluttemperaturen i syfte att utjämna gradienten så att även materialets centrum värmts tillräckligt.
 

Ugnen

Hur värmningskurvan ser ut beror givetvis också på hur ugnen är utformad och hur den körs. I en kontinuerlig ugn uppnås en god värmning med begränsade temperaturgradienter genom att låta det kalla materialet möta de utgående rökgaserna, alltså vid en relativt låg temperatur. Värmeöverföringen ökas genom att ugnstaket dras ned så att tvärsnittsarean minskar och rökgasernas hastighet ökas, vilket förbättrar den konvektiva värmeöverföringen. I följande brännarförsedda zoner kan man överföra stora energimängder till stålet genom strålning och konvektion. Där är det viktigt att ugnen styrs på ett sådant sätt att alltför höga temperaturer undviks.
 

Produktionsförhållanden

Produktionsförhållanden kan påverka värmningskurvan till exempel genom att sluttemperatur uppnås för tidigt i ugnen. Man vill undvika att materialet utsätts för onödigt stor avkolning och avbränna som sker om de måste ligga kvar under längre tid i ugnen till exempel på grund av ett driftstopp i valsverket.
 

Minimera glödskalsbildning

Vid all värmning, då materialet uppnår högre temperaturer och ungsatmosfären innehåller syre, sker en oxidation av materialytan kallad glödskal. Reaktionen är exoterm - det vill säga värme frigörs - vilket kommer ugnsrummet tillgodo. Detta gör dock inte glödskalsbildningen önskvärd ur ett energiperspektiv då stålet är en betydligt dyrare energikälla än bränslet!  Glödskal bildas alltid i bränsleeldade ugnar och måste avlägsnas innan efterföljande processteg (till exempel valsning). På detta så sätt förloras vanligen 1-2 % av stålet som glödskal.

Bildningen av glödskal ökar med:

  • ökande temperatur
  • ökande syrehalt, speciellt i närvaro av vattenånga

För att minska bildningen av glödskal ska man alltså eftersträva en låg luftfaktor där temperaturen är som högst. Allt inläckage in i ugnen från dessa områden bör också förhindras. Av betydelse är dock inte bara mängden glödskal utan också dess kvalité. Ibland tenderar glödskalet att bli tunt och segt och sitta fast så hårt att glödskalsreningen inte får bort det. För att kunna få bort det måste man låta glödskalsskiktet bli tjockare och flagnar av genom att höja syrgashalten i ugnen. Även kolet i stålet (i form av järnkarbid - Fe3C) kan oxideras till kolmonoxid i närvaro av fritt syre, vattenånga eller vätgas, och koldioxid. Detta kallas avkolning och försämrar produktkvalitén genom en minskning av stålets ythårdhet. För att undvika glödskalsbildning (och avkolning) vid värmebehandling används skyddsgas med en sådan sammansättning att oxidering undertrycks.

 

Tillvarata rökgasenergin i en avgaspanna

En avgaspanna inom stålindustrin är en värmeväxlare i rökgassystemet där energin i de varma rökgaserna överförs till ett flytande medium som vanligen är vatten för produktion av ånga eller hetvatten. Den energi som en värmnings- eller värmebehandlingsugns avgaser innehåller är betydande även efter rekuperatorn. Avgastemperaturen efter en rekuperator är nämligen i de flesta fall fortfarande så hög som 250-500 °C.

Ett sätt att återvinna delar av avgasernas energi är att använda avgaspannor. Avgaspannans utformning varierar mycket, men kan enklast beskrivas som ett knippe rör i avgaskanalen. Avgaserna strömmar runt omkring rören och inuti rören strömmar vatten som värms. Man producerar hetvatten eller ånga. Avgaspannans rör dras aldrig rakt genom avgaskanalen utan hänger oftast som U-formade slingor från kanalens tak. U-formen ger en konstruktion som är okänslig för värmespänningarna som rören annars skulle utsättas för. Genom att variera antalet rör kan man bestämma hur stora energimängder som skall överföras till hetvatten eller ånga.

I avgasflöden som innehåller mycket stoft brukar man hänga rören så att U:ets horisontella del av bygeln blir parallell med avgasernas strömningsriktning. Denna horisontella del görs då också så lång som möjligt. Strömningen utmed rören ger nämligen minimalt påslag av stoft som verkar isolerande och hindrar värmeöverföringen. Vid extremt höga avgastemperaturer ut ur ugnsrummet sätts dock avgaspannan först för att ta ned temperaturen till en nivå som bättre passar rekuperatorn.

 

Optimera spjäll och skorsten

De vid förbränningen bildade rökgaserna lämnar ugnen genom en avgaskanal, genom eventuella rekuperatorer och avgaspannor och vidare genom ett spjäll och en eventuell fläkt vidare upp genom en skorsten. Ugnsrummet är aldrig riktigt tätt utan ett visst läckage förekommer alltid, och så länge detta är utåt från ugnsrummet till omgivningen betyder det mindre. I de fall kalluft däremot läcker in i ugnsrummet tillförs extra syre, och den kalla luften kyler dessutom lokalt. Extrasyret ger ökad glödskalsbildning.

Bränsleförbrukningen ökar snabbt med ökande inläckning. Det är alltså mycket viktigt att hålla ett korrekt ugnstryck och det måste följa brännarnas pådrag. Avgasfläkt och skorsten avslutar avgassystemet. Skorstenens höjd har en direkt påverkan på avgasflödets transport ut. Den ger en drageffekt, som är beroende på avgastemperatur och skorstenshöjden. Högre skorsten och högre avgastemperatur ut i skorstenen ger större drageffekt, och om skorstenen ej har för liten diameter kan till och med avgasfläkten utelämnas.

Anmärkning:

Det händer ibland att en ugn kan ryka kraftigt varvid personalen sänker ugnstrycket och rökbildningen minskar eller till och med upphör. I själva verket har rökbildningen egentligen sitt ursprung i att brännarna har fått för litet luft. Med det sänkta ugnstrycket har man ökat luftinläckning i ugnsrummet vilket visserligen kan minska rökbildningen, men samtidigt stiger bränsleförbrukningen på grund av den ökade inläckningen. Ämnena utsätts dessutom för kalluftstråk som orsakar kalla fläckar. Rätt åtgärd hade varit att öka luften något i brännarna men naturligtvis att även kontrollera dem på eventuella fel.