De energiekosten vormen de grootste operationele uitgavepost voor een gasgestookte oven met draaistel. Voor een oven van 5 MW die 6000 uur per jaar draait op aardgas tegen $ 0,35 per kubieke meter, bedragen de jaarlijkse gaskosten ongeveer $ 400.000 tot $ 500.000. Een besparing van 15-25% levert een besparing op van $ 60.000 tot $ 125.000 per jaar – genoeg om binnen twee tot drie jaar een volledige upgrade van de besturingssystemen te bekostigen.
MONTE INTELLIGENCE heeft energieaudits uitgevoerd op tientallen houtgestookte ovens in de praktijk. We hebben geconstateerd dat de meeste ovens ouder dan vijf jaar mogelijkheden bieden voor energie-efficiëntieverbetering waar de gebruikers zich niet van bewust zijn. Dit artikel beschrijft onze auditmethodologie en de meest voorkomende bevindingen.
De energieaudit begint met een warmtebalansberekening. Voor een batchoven die één lading per cyclus verwerkt, bestaat de warmtetoevoer uit de energie van de brandstofverbranding, de voelbare warmte van de verbrandingslucht (indien voorverwarmd) en de warmte die vrijkomt door oxidatie van de lading (klein, meestal verwaarloosd). De warmteafvoer bestaat uit de nuttige warmte die door de lading wordt opgenomen, de warmte die verloren gaat in de rookgassen, de warmte die verloren gaat via de ovenwanden en -deur, de warmte die verloren gaat door luchtinfiltratie, de warmte die in de ovenconstructie wordt opgeslagen (vrijgekomen tijdens afkoeling maar verloren tussen cycli) en de warmte die verloren gaat via openingen, afdichtingen en andere kanalen.
De nuttige warmte – de energie die de werkstukken daadwerkelijk verwarmt – wordt berekend op basis van de massa van het werkstuk, de soortelijke warmte en de temperatuurstijging. Voor een lading van 20 ton staal die wordt verwarmd van 20 °C tot 850 °C met een gemiddelde soortelijke warmte van 0,55 kJ/kg·K, bedraagt de nuttige warmte 20.000 × 0,55 × 830 = 9.130 MJ, oftewel ongeveer 2536 kWh – ruwweg het equivalent van 260 kubieke meter aardgas.
Het totale gasverbruik voor een cyclus wordt gemeten door de gasmeter van de cv-ketel. Als de meter 520 kubieke meter verbruikt aangeeft, is het rendement van de cv-ketel 260/520 = 50%. De resterende 260 kubieke meter – ongeveer $90 aan gas per cyclus – gaat verloren door verschillende warmteverliezen. De audit identificeert en kwantificeert deze verliezen om te bepalen waar besparingsmogelijkheden liggen.
Het warmteverlies via rookgassen is doorgaans de grootste bron van warmteverlies en is verantwoordelijk voor 30-50% van het totale gasverbruik. De rookgassen verlaten de oven met een temperatuur die dicht bij de bedrijfstemperatuur van de oven ligt — als de oven bijvoorbeeld op 1000 °C staat, kunnen de rookgassen een temperatuur van 900-950 °C hebben — en voeren daarbij een grote hoeveelheid voelbare warmte af. De warmte-inhoud kan worden berekend aan de hand van de rookgasstroom, de temperatuur en de samenstelling.
Het verminderen van rookgasverlies omvat twee strategieën: het verminderen van overtollige lucht en het terugwinnen van warmte uit de rookgassen. Overtollige lucht is de lucht die boven de stoichiometrische behoefte voor de verbranding wordt toegevoerd. Bij 50% overtollige lucht – een veelvoorkomende instelling – is het rookgasvolume ongeveer 30% hoger dan bij 10% overtollige lucht, en de extra lucht moet worden verwarmd van omgevingstemperatuur tot rookgastemperatuur. Het verminderen van de overtollige lucht van 50% naar 10% kan het rendement van de oven met 3-5% verbeteren. Dit vereist een zuurstofregeling op de brander – een lambdasonde in het rookgaskanaal die realtime feedback geeft aan de verbrandingsluchtklep.
Warmteterugwinning maakt gebruik van een recuperator of regenerator om warmte van de rookgassen over te dragen aan de verbrandingslucht. Het voorverwarmen van de verbrandingslucht tot 400 °C kan het rendement van de oven met 15-25% verbeteren, omdat de voorverwarmde lucht de hoeveelheid brandstof vermindert die nodig is om de verbrandingstemperatuur te bereiken. Recuperatoren – gas-gas warmtewisselaars, meestal van het buizen- of platentype – zijn de meest gangbare technologie en kunnen een warmteterugwinningsrendement van 50-60% behalen. Regeneratieve branders, die gebruikmaken van keramische media die afwisselend warmte absorberen en afgeven, kunnen een rendement van 80-90% behalen, maar brengen hogere investeringskosten met zich mee.
Het warmteverlies door de wanden is afhankelijk van de dikte van de vuurvaste laag, de thermische geleidbaarheid en de buitentemperatuur van de wand. Voor een oven die werkt op 1000 °C met 300 mm keramische vezelisolatie (geleidbaarheid 0,15 W/m·K bij gemiddelde temperatuur) bedraagt het warmteverlies door de wanden ongeveer 500 W per vierkante meter. Voor een oven met een wandoppervlakte van 100 vierkante meter komt dat neer op een continu verlies van 50 kW – ongeveer 4,3 kubieke meter gas per uur, ofwel ruwweg $ 1,50 per uur.
Het meten van de buitentemperatuur van de muur met een infraroodthermometer is een eenvoudige controlemethode. Elk gedeelte van de muur dat meer dan 20 °C boven het gemiddelde ligt, wijst op een gat in de isolatie, een defecte verankering of een hete plek veroorzaakt door een vlam van een brander die op de muur inwerkt. Deze hete plekken kunnen tijdens een geplande onderhoudsstop worden gerepareerd door de betreffende isolatiemodules te vervangen.
Lekkage bij deuren en afdichtingen is de moeilijkst te kwantificeren bron van energieverlies, maar vaak ook de gemakkelijkst te verhelpen. Een opening van 3 mm rond de omtrek van een deur van 4 bij 3 meter heeft een oppervlakte van ongeveer 0,042 vierkante meter. Bij een typische ovendruk van 10 Pa voert het hete gas dat door deze opening lekt een aanzienlijke hoeveelheid energie af – ongeveer 10-15 kW voor een oven van 1000 °C. De oplossing is het vervangen van de deurafdichting – een klus die een onderhoudsteam ongeveer vier uur kost en een paar honderd dollar aan materiaalkosten met zich meebrengt.
Luchtinfiltratie — koude lucht die via kieren in de constructie, rond de deur, rond de branderroosters en via inspectieopeningen de oven binnendringt — is de verborgen energiedief. Infiltrerende lucht voert niet alleen warmte af (koude lucht die binnenkomt verdringt hete gassen die naar buiten moeten), maar veroorzaakt ook oxidatie van de lading en kan leiden tot ongelijkmatige temperatuurzones. De verbrandingsanalyse levert indirect bewijs voor luchtinfiltratie: als het zuurstofgehalte in de rookgassen hoger is dan verwacht op basis van de branderinstellingen, komt de extra zuurstof door infiltratie.
Het auditrapport moet een prioriteitslijst van energiebesparende maatregelen (ECM's) bevatten, inclusief geschatte kosten, geschatte besparingen en een eenvoudige terugverdientijd. Typische ECM's voor een bogie-haardoven zijn, in volgorde van toenemende terugverdientijd: reparatie van de deurafdichtingen (terugverdientijd <1 maand), aanpassing van de lucht/gasverhouding van de brander (terugverdientijd <3 maanden), reparatie van hete plekken in het vuurvaste materiaal (terugverdientijd 3-6 maanden), installatie van een zuurstofregelaar (terugverdientijd 6-12 maanden) en installatie van een warmtewisselaar (terugverdientijd 12-24 maanden).
MONTE INTELLIGENCE biedt energieaudits aan, waaronder metingen op locatie, warmtebalansberekening, identificatie van energiebesparende maatregelen en ondersteuning bij de implementatie.
Om een energie-audit voor uw bogie-haardkachel in te plannen, kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
