[Systeemontwerp voor Warmteterugwinning uit de Tail Gassen ...
46
[Systeemontwerp voor Warmteterugwinning uit de Tail Gassen van FTD-2 en 3] [Het verlagen van de productiekosten van tabak door hergebruik van warmte uit Tail Gassen van FTD-2 en 3 voor het voorwarmen van ketelvoedingswater] Onderzoeksrapport Remy R. Lopez [Versie 4.0] Onderzoeksrapport EPT HZ University of Applied Sciences Michel van der Linde – 1 ste examinator Jos Hoeijmakers – 2 de examinator Vlissingen, augustus 2014 [[email protected]]
Transcript of [Systeemontwerp voor Warmteterugwinning uit de Tail Gassen ...
[Systeemontwerp voor Warmteterugwinning uit de Tail Gassen
van FTD-2 en 3]
[Het verlagen van de productiekosten van tabak door h ergebruik van warmte uit Tail Gassen van FTD-2 en 3 voor het voorwarmen van ketelvoedingswater]
Onderzoeksrapport
Remy R. Lopez [Versie 4.0]
Onderzoeksrapport EPT HZ University of Applied Sciences
Michel van der Linde – 1ste examinator Jos Hoeijmakers – 2de examinator
Vlissingen, augustus 2014 [[email protected]]
ii
[Systeemontwerp voor Warmteterugwinning uit de Tail Gassen
van FTD-2 en 3]
[Het verlagen van de productiekosten van tabak door hergebruik van warmte uit Tail Gassen van FTD-2 en 3 voor het voorwarmen van ketelvoedingswater]
Onderzoeksrapport
Remy R. Lopez [Versie 4.0]
Onderzoeksrapport EPT HZ University of Applied Sciences
Michel van der Linde – 1ste examinator Jos Hoeijmakers – 2de examinator
Vlissingen, augustus 2014 [[email protected]]
i
SAMENVATTING SYSTEEMONTWERP WARMTETERUGWINNING FTD-2 & 3
Philip Morris Holland beschikt over systemen voor het drogen van vochtig tabak. Twee van deze systemen, genaamd Flash Tower Dryer-2 en 3, werken met heet procesgas voor het verdampen van water uit de tabak. De verwarming van dit procesgas wordt verzorgd door een op aardgas gestookte brander. De FTD-2 en 3 systemen zijn onderzocht op de mogelijkheden voor het verlagen van de bedrijfskosten, of kortweg kostenbesparingen. Door gebruik te maken van een theoretisch model is er een vergelijking gemaakt met de praktijk om te evalueren of de systemen functioneren zoals behoren. Het opgestelde statische model is 9,06% zuiniger dan in de praktijk is waargenomen. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de systemen goed functioneren. Gezien in het theoretisch model niet alle verliezen meegenomen zijn, zoals bv. stralingsverliezen, zal er in de praktijk een kleiner verschil ontstaan in dit percentage. Door het bevestigen van de juiste werking van de systemen is er vervolgens gekeken naar mogelijke warmteterugwinning uit zowel rookgassen als de Tail Gas vanuit de FTD’s. Uit berekeningen bleek dat het vermogen van warmteterugwinning aan de rookgaszijde zeer beperkt was, ca. 51kW per FTD zonder rookgascondensatie, ca. 105kW met rookgascondensatie, terwijl dit bij de Tail Gas zijde ca. 599kW per FTD bedraagt. Hierdoor is de keuze gevallen voor het terugwinnen van warmte uit het Tail Gas. De warmte uit het Tail Gas wordt benut om het voedingswater voor te verwarmen voordat deze het centrale ketelhuis ingaat. Hierdoor wordt het gasverbruik bij de ketels verminderd voor de productie van stoom. Tevens wordt hierdoor de CO2-uitstoot ook verminderd, waardoor er een secundaire besparing ontstaat aan emissie-kosten.
De totaal realiseerbare besparingen voor beide FTD’s bedragen € 194.200 per jaar. De installatiekosten zijn geraamd op € 230.000,00 Hierdoor valt de Return of Investment op 1,18 jaar.
ii
ABSTRACT SYSTEMDESIGN HEATRECOVERY FTD-2 & 3
Philip Morris possesses systems for drying moist tobacco. Two of these systems, called Flash Dryer-Tower 2 and 3, work with hot process gas to evaporate water from the tobacco. The heat to the process gas is supplied by a burner, working on natural gas. The FTD-2 and 3 systems are examined for the potential to reduce operational costs. By making use of a theoretical model, there is a comparison made with values derived from practice in order to evaluate whether the systems function accordingly. The static model is shown to be 9.06% more effective than practice shows. From this can be concluded that the systems work well. Seeing that in the theoretical model not all the losses are taken into account, such as radiation losses, there will be, in practice, a smaller difference in this figure. After confirming the proper functioning of the systems the emphasis was put on heat recovery from flue gases as well as the Tail Gas from the FTD’s. Calculations show that the possibility of heat recovery from the exhaust gas side was very limited, approximately 51kW per FTD without exhaust gas condensation, approximately 105kW with exhaust gas condensation, while at the Tail Gas side it is approximately 599kW per FTD. As a result, the choice was made to design a system for the recovery of heat from the tail gas. The heat from the tail gas will be used for preheating the water feed to the boiler house. As a result, the gas consumption by the boilers will be reduced for the production of steam. This also reduces the CO2-emissions, creating a secondary savings on gas emission.
The total possible savings for both FTD’s amount to € 194,200 a year. The costs for installation of the new systems were estimated to be € 230,000.00. Therefore the Return of Investment will be 1.18 year(s).
iii
AFKORTINGEN
EER Energy Efficiency Ratio
FTD Flash Tower Dryer
HHD High Humidity Drying
LHD Low Humidity Drying
MCA Multi-Criteria Analyse
O.V. Oven Volatiles (in % vochtigheid)
PFD Process Flow Diagram
PG Process Gas
RCB Reconstituted Blend
ROI Return of Investment
R.V. Relatieve Vochtigheid
TERMEN
Haalbaar; Bedrijfskundig verantwoord op zowel technisch als economisch vlak. Wordt weergegeven in ROI, haalbaarheid wordt getoetst door PMH.
Tabakskwaliteit; Wordt omschreven in paragraaf 2.1.
Idle; Stand-by modus
iv
INHOUDSOPGAVE
SAMENVATTING SYSTEEMONTWERP WARMTETERUGWINNING FTD-2 & 3 .......................................................... I
ABSTRACT SYSTEMDESIGN HEATRECOVERY FTD-2 & 3 .......................................................................................... II
AFKORTINGEN ....................................................................................................................................................... III
TERMEN ................................................................................................................................................................. III
1 INLEIDING ...................................................................................................................................................... 1
2 VOORONDERZOEK ......................................................................................................................................... 3
2.1 Tabakskwaliteit ..................................................................................................................................... 3
2.2 Droge lucht of vochtige lucht ................................................................................................................ 3
2.3 FTD-principe .......................................................................................................................................... 4
2.4 Magnetron drogen ................................................................................................................................ 5
2.5 Vriesdrogen ........................................................................................................................................... 7
2.6 Analyse .................................................................................................................................................. 9
3 METHODE VERVOLGONDERZOEK ............................................................................................................... 11
4 STATISCHE SIMULATIE FTD ......................................................................................................................... 12
4.1 Warmteterugwinning Rookgas ........................................................................................................... 13
4.2 Warmteterugwinning Tail Gas ............................................................................................................ 14
5 ONTWERP .................................................................................................................................................... 15
5.1 Warmtebestemmingen ....................................................................................................................... 15
5.2 Systeem ontwerp ................................................................................................................................ 16
6 FINANCIËLE CALCULATIES ........................................................................................................................... 19
6.1 Besparingen Totaal.............................................................................................................................. 20
6.2 Investering........................................................................................................................................... 20
7 CONCLUSIE & DISCUSSIE ............................................................................................................................. 21
7.1 Return of Investment .......................................................................................................................... 21
7.2 Discussie .............................................................................................................................................. 21
8 LITERATUUR/BRONNENLIJST ...................................................................................................................... 23
BIJLAGE 1 – P&ID FTD-2 ........................................................................................................................................ 25
BIJLAGE 2 – PROCESMETINGEN FTD-2 .................................................................................................................. 26
BIJLAGE 3 – VRIESDROGER RAY™ ......................................................................................................................... 27
BIJLAGE 4 – UITGANGSPUNTEN EN ONDERBOUWING ......................................................................................... 28
BIJLAGE 5 – STATISCH SIMULATIEMODEL FTD ..................................................................................................... 29
BIJLAGE 6 – SUPPLETIEDIAGRAM KETELVOEDINGWATER .................................................................................... 32
BIJLAGE 7 – PRINCIPE TEKENING TERUGWINNING FTD’S ..................................................................................... 33
BIJLAGE 8 – TEKENING WARMTEWISSELAAR ....................................................................................................... 34
BIJLAGE 9 – GEGEVENS REGELING EN REGELKLEPPEN ......................................................................................... 35
BIJLAGE 10 – BESPARINGEN ................................................................................................................................. 36
BIJLAGE 11 – OMSCHRIJVING INVESTERING ......................................................................................................... 39
BIJLAGE 12 – PRINCIPE REGELINGEN FTD-2 & 3 ................................................................................................... 40
1
1 INLEIDING
Philip Morris Holland BV (PMH) is een onderdeel van de Philip Morris International (PMI) organisatie. Op dit moment werken er 1.400 mensen in de vestiging te Bergen op Zoom. De fabriek is gebouwd in 1981 en produceerde in het eerste jaar twaalf miljard sigaretten. Tussen 1987 en 2002 is de fabriek enkele malen in capaciteit vergroot waardoor de vestiging in Bergen op Zoom is uitgegroeid tot de grootste binnen PMI in Europa.
Per jaar worden er ongeveer 104 miljard sigaretten van verschillende merken geproduceerd. Hier is een grote hoeveelheid aan energie voor nodig om deze productie te kunnen voortzetten.
Door de prijsstijgingen van fossiele brandstoffen, waaronder aardgas en olie, worden alle producten waarbij deze brandstoffen noodzakelijk zijn voor de productie duurder voor consumenten. Hier is er ook sprake van bij producten die niet tot de primaire levensbehoeften horen, zoals de sigaretten van Philip Morris. Micro-economische analyse van het gedrag van de consument geeft aan dat bij een prijsstijging van een bepaald product de vraag naar hetzelfde product zal dalen (Durlauf & Blume, 2008). Figuur 1 geeft de relatie weer tussen de verandering in Vraag [Q] naar en product en de verandering in Prijs [P] van het product volgens de Vraag curve [D] en de aanbodcurve [S].
Het gevolg van de stijgende brandstofkosten is dat Philip Morris hierdoor omzet misloopt. Om de invloed van de brandstofprijzen op de sigaretten te minimaliseren wil Philip Morris de vraag naar fossiele brandstoffen gaan verminderen. Op deze manier tracht Philip Morris, ondanks de stijgende brandstofkosten, stabiliteit te geven aan de prijzen van sigaretten en zo de omzet te behouden, c.q. verbeteren.
Door de internationale doelstellingen van Philip Morris International (PMI) dient het energieverbruik in 2015 met 20% teruggedrongen te worden ten opzichte van 2010.
De doelstelling in het onderzoek omvat het leveren van een overzicht van diverse tabakdrogers en hun bijbehorende energiegebruik. Momenteel staan er Flash Tower Dryers (FTD’s) opgesteld bij PMH (zie 2.3). Deze drogers worden in dit overzicht met elkaar vergeleken in een MCA. Tevens worden deze systemen voorzien van een kostenraming met bijbehorende ROI.
Hierdoor ontstaat de centrale vraag van het onderzoek; Welk droogsysteem is technisch en economisch haalbaar, met behoud van de tabakskwaliteit, en draagt bij aan de kosten- en energiebesparingsdoelstelling van PMH te Bergen op Zoom? Het beantwoorden van de centrale vraag gaat gepaard met een aantal deelvragen met hun bijbehorende activiteiten (zie Hoofdstuk 3). Het eerste waarna gekeken dient te worden is de huidige manier van procesvoering. Hiermee wordt de basis gelegd voor het vergelijken van overige droogprincipes.
Figuur 1: Vraag/Prijs/Aanbod curve
2
De werking van het FTD-principe dient te worden toegelicht en zal er worden bepaald wat de energievraag per kg gedroogd tabak is. De verschillende criteria voor het beoordelen van de tabakskwaliteit worden omschreven en zal fungeren als basis model voor alle droogsystemen. Op basis van het behoud van de huidige tabakskwaliteit wordt er een selectie drogers gemaakt welke kunnen voldoen aan de voorwaarden. Nadat wordt uitgezocht hoe het huidige droogsysteem werkt en wat de eisen zijn die gesteld worden aan gedroogde tabak zullen de volgende deelvragen beantwoord worden: Tabel 1: Deelvragen
# Deelvraag
1 Welke droogsystemen kunnen dezelfde functie vervullen als de huidige FTD’s met behoud van huidige tabakseigenschappen?
2 Hoe vergelijken de systemen met elkaar op het gebied van energiegebruik? 3 Op welke wijze kan de investering economisch verantwoord plaatsvinden?
Na het beantwoorden van alle deelvragen zal er inzicht worden gegeven over de energie-efficiëntie van het FTD-principe in verhouding met overige systemen. Hiermee kan er een advies worden gegeven aan PMH over de mogelijke energiebesparingen t.b.v. de internationale doelstelling. Tevens kan dit advies ook worden geraadpleegd bij toekomstige PMH-projecten waarbij een drogerselectie moet worden gemaakt.
3
2 VOORONDERZOEK
Het doel van het vooronderzoek is het verzamelen van relevante informatie om inzicht te krijgen over de energievraag van diverse droogsystemen voor tabak. Met deze gegevens is het vervolgens mogelijk een definitieve onderzoeksvraag op te stellen voor het uitvoeren van het onderzoek.
2.1 Tabakskwaliteit
Om de diverse technieken met elkaar te kunnen vergelijken dient er een criterium opgesteld te worden waarmee de systemen gerangschikt kunnen worden. Tabakdrogers worden binnen de tabaksindustrie op vijf variabelen geoordeeld op kwaliteit; fill value, particle size, firmness, end stability en coal retention (Brown & Williamson).
De kwaliteitsmetingen die binnen het FTD-proces plaatsvinden zijn gebaseerd op de relatieve vochtigheid van de tabak bij in- en uittrede.
Tabel 2: Eigenschappen voor beoordeling tabakskwaliteit
Variabelen Omschrijving Eenheid
Fill Value Vulcapaciteit van de tabak [cc/mg]
Particle size Formaat van de tabak deeltjes t.o.v. intrede droger [%]
Firmness Stevigheid van de sigaretten [cnts./25 cigarettes]
End stability Tabakverlies per sigaret na productiefase [mg/cigaret]
Coal retention Kans dat as aan aangestoken sigaret blijft hangen [% van het totaal]
2.2 Droge lucht of vochtige lucht
Om te achterhalen waarom er momenteel gebruik wordt gemaakt van vochtige lucht, ofwel stoom, voor het drogen van tabak is er gekeken naar documenten van diverse tabaksproducenten.
Tabakproducent Brown & Williamson hebben in de jaren ’70 een intern onderzoek uitgevoerd over het effect van tabak drogen met vochtige lucht (HHD) en droge lucht (LHD). In dit onderzoek wordt gesproken over vochtige lucht in de vorm van (oververhitte) stoom onder atmosferische druk.
Uit dit onderzoek, waarin gebruik is gemaakt van een pneumatisch systeem als test opstelling, is gebleken dat er bij handhaving van gelijke temperatuur en gebruik van vochtige lucht een Fill Value vergroting wordt verkregen tussen de 2 en 7% t.o.v. drogen met droge lucht (Brown & Williamson). Dit resultaat werd in een latere fase van dit onderzoek ondersteund door een industriële testopstelling waarbij 4,4% meer vulcapaciteit werd verkregen.
Het effect van het verhogen van de vochtige lucht temperatuur is er ook een groot verschil ontstaan bij het zogeheten depadding (het losmaken van aan elkaar geplakte tabaksdeeltjes). Bij een test met vochtige lucht van 60°C is er 26% van de tabak aan elkaar geplakt, welke nadelig is voor het productieproces. De kans bestaat dat er aan elkaar geplakte tabakdeeltjes in de sigaretten belanden welke dikker zijn dan noodzakelijk. Hierdoor wordt er meer tabak gebruikt per volume deel. Na het verhogen van de temperatuur naar 100°C, bij gelijke luchtvochtigheid, was dit aandeel gedaald naar 8-9% (Brown & Williamson). Door het losmaken van de aan elkaar geplakte deeltjes wordt ook een tabakdroging verkregen welke gelijkmatiger verloopt. Hierdoor kan er nauwkeuriger worden geregeld op tabaksvochtigheid van het eindproduct.
4
Tevens is er in hetzelfde B&W onderzoek aangetoond dat er bij gebruik van hoge temperatuur droge lucht Case-Hardening plaatsvindt. Dit is het dichtschroeien van de buitenste laag door te hoge droogsnelheid. Hierdoor wordt een donkere en brosse buitenlaag verkregen welke een verlaging in tabakskwaliteit veroorzaakt. De samenstelling van de hieruit verkregen tabaksrook is beschreven als irriterend voor de neus en ogen (Brown & Williamson).
Het pneumatische systeem is tijdens de industriële testopstelling vergeleken met een roterende droger van producent ITM-group. De vijf eigenschappen van de verkregen tabak waren allen beter bij gebruik van HHD met het pneumatische systeem (Brown & Williamson).
2.3 FTD-principe1
FTD staat voor Flash Tower Dryer. Dit is een pneumatische droger die gebruik maakt van stoom als drogend medium. De functie van deze verticale torendrogers is het drogen van de te produceren tabak. De tabak bevat op het specifieke procespunt nog water dat in een eerdere fase is opgenomen.
De tabak wordt via een Buffer-Feeder getransporteerd richting de FTD. Hierbij wordt de tabak over een Separator geleid waarna de vochtigheid van de tabak wordt gemeten door een Moisture Meter(MM-1). De Weighbelt dient niet alleen als transport middel maar weegt ook de hoeveelheid tabak die naar de FTD gaat. Via de vibrating conveyor, ofwel trillende lopende band, wordt de tabak naar de Rotary Valve gebracht. Deze Rotary Valve zorgt voor een gelijkmatige verdeling van de tabak naar de FTD. In de Furnace & Process Gas Heat Exchanger wordt er door middel van Furnace Fuel stoom gemaakt. De Furnace Fuel (fornuis brandstof) die gebruikt wordt voor de stoomproductie is aardgas. Na verbranding van het aardgas wordt het rookgas, Furnace Flue Gas geleid naar een van de schoorstenen van PMH.
Figuur 2: Systematische weergave FTD-systeem
1 Zie bijlage 12 voor principe regeling FTD 2 & 3
5
De oververhitte stoom (O.S.) wordt samen gebracht met de tabak van de Rotary Valve (RV-1) waarna het mengsel wordt geleid door de FTD. Door de oververhitte stoom wordt het water in de tabak opgewarmd en vervolgens verdampt uit de tabak. Dit proces duurt circa 8 seconden. In de Cyclone wordt de stoom en de tabak gescheiden op basis van het verschil in dichtheid. De tabak met een grotere dichtheid, in verhouding met het medium, valt via de schuine wanden naar beneden en wordt verzameld en verdeeld door een tweede Rotary Valve (RV-2). De gedroogde tabak wordt gekoeld en getransporteerd naar een tweede Moisture Meter(MM-2). Hier vindt de controle plaats van de tabaksvochtigheid. Gedurende dit proces worden stofdeeltjes van de tabak opgevangen en verwijderd uit het systeem. Deze worden in een ander proces verwerkt als RCB (zie 2.4) De stoom met daarin opgenomen vocht uit de tabak wordt via flowmeter FM-2 naar de ventilator PG Fan gestuurd. Deze ventilator, ingesteld op een vast debiet, zorgt voor het continu rond blazen van stoom binnen de FTD-kringloop. Deze kringloop is niet volledig gesloten, er komt nog stoom in en uit deze kringloop. Bij PG Tail Gas wordt een gedeelte van de stoom, gemiddeld ca. 900kg/h2, met opgenomen vocht uit de tabak afgeblazen via een flowmeter (FM-1) naar een condensor. Dit afblazen wordt gedaan om de drogende capaciteit van de stoom te kunnen handhaven d.m.v. het toevoeren van een vaste hoeveelheid verse stoom via proces punt Steam. De samengestelde stoom wordt vervolgens naar de Furnace & Process Gas Heat Exchanger geleid en weer verwarmd tot +/-175°C onder atmosferische druk. Het afblazen wordt geregeld op basis van de PG-druk bij uittrede van de cyclone. Door het verdampen van vocht uit de tabak stijgt de druk in de FTD. Deze meting verzorgd het regelsignaal voor de Tail Gas flow. De Tail Gas dat naar de condensor is geleid wordt gekoeld met buitenlucht. Hier wordt gekoeld tot er een temperatuur is bereikt van maximaal 60°C. Tijdens dit koeltraject van 130°C naar 60°C komt er condensatiewarmte vrij tijdens de fase overgang van waterdamp naar condensaat. Voor een overzicht van de proceswaarden wordt u verwezen naar Bijlage 2. De locatie van deze
meetpunten zijn terug te vinden in de P&ID in Bijlage 1.
Uit deze meetpunten is achterhaald dat de energievraag 409,21 MJ/ton droog tabak is (zie Figuur 4).
2.4 Magnetron drogen
Magnetron drogen wordt binnen de tabaksindustrie gebruikt voor het drogen van RCB (Reconstituted Blend), ofwel herwonnen tabak. Deze tabak zijn restdelen zoals stofdeeltjes en uitstoot die uit het productie proces worden opgevangen en worden verwerkt in een slurry om vervolgens te worden geperst tot sheets, ofwel tabaksbladen met behulp van toegevoegde bindmiddelen (Hickle, 1993). Na dit persen van de tabak dient het gedroogd te worden voordat het weer toegevoegd kan worden in het proces.
Het drogen van RCB met behulp van een magnetron-installatie is in essentie een elektromagnetisch proces. Het verdampen van water vindt plaats onder atmosferische druk en een aangenomen starttemperatuur van 10°C. Het vermogen van een magnetron-installatie wordt bepaald op basis van de hoeveelheid te verdampen vocht.
Vochtigheidsmetingen aan de tabak gebeuren voor intrede (22,1%) en bij uittrede (12,9%) van het FTD systeem welke terug te vinden zijn in Bijlage 2. Hieruit wordt geconcludeerd dat er 677 kg/h aan
2 Opgave PMH (gemiddelde waarde)
6
vocht wordt verwijderd uit 6409 kg/h vochtig tabak en er dus 5732kg/h gedroogd tabak wordt geproduceerd.
De cp-waarde van droog tabak (R.V.=0%) is bepaald op 0,35 kJ/kg K (British American Tobacco Company, 1990).
Als er aangenomen wordt dat het vochtige tabak het droogsysteem ingaat bij een temperatuur van 10°C wordt het theoretisch vermogen bepaald op het volgende;
Qtotaal = Qopwarming water + Qopwarming tabak + Qverdamping water
Qopwarming water = 𝑚𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 ∙ 𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑣𝑒𝑟𝑑 − 𝑇𝑖𝑛) = 0,39 ∗ 4,2 ∗ (100 − 10) = 149𝑘𝑊
Qopwarming tabak = 𝑚𝑡𝑎𝑏𝑎𝑘 ∙ 𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑣𝑒𝑟𝑑 − 𝑇𝑖𝑛) = 1,39 ∗ 0,35 ∗ (100 − 10) = 44𝑘𝑊
Qverdamping water = 𝑚𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟𝑑𝑎𝑚𝑝 ∙ 𝑣𝑒𝑟𝑑𝑎𝑚𝑝𝑖𝑛𝑔𝑠𝑤𝑎𝑟𝑚𝑡𝑒 = 0,19 ∗ 22603 = 425𝑘𝑊
Qtotaal = 149 + 44 + 425 = 617kW
Magnetron drogen heeft enkelen grote nadelen zoals de niet-uniformiteit van het elektromagnetische veld waardoor er ongelijke opwarming van het product ontstaat, mogelijke textuurschade en het beperkt indringen van de straling in het product. Tevens wordt het elektrisch rendement van een magnetron installatie bepaald tussen 50-70%, afhankelijk van o.a. het formaat van de installatie, en vochtinhoud van het product (Zhanga, Tang, Mujumdar, & Wang, 2006) (Drouzas, 1996). De niet-uniformiteit van het elektromagnetische veld kan gedeeltelijk worden gecompenseerd door gebruik te maken van wave-guides en/of een roterende plaat (Cohen & Yang, 1995). In dit onderzoekt wordt er rekening gehouden met deze aanpassingen waardoor een verhoogd rendement wordt aangehouden van 80%. Verder wordt er een additionele 10% opgenomen voor het overige elektrische apparatuur zoals elektromotoren van de transportbanden en meet- en regelkasten.
Tijdens het drogen van tabaksblaadjes wordt er vocht verdampt welke het magnetronvermogen opneemt voor de faseovergang. Bij een verlaging van de vochtconcentratie in het product wordt er minder energie opgenomen door het vocht in het product, en meer door het product zelf. Hierdoor kan het product overmatig worden opgewarmd, vooral aan randen en hoeken, waardoor er o.a. verschroeiing en degradatie van productsmaak kunnen optreden (Nijhuis, Torringa, Muresan, Yuksel, & Leguijt, 1998).
De eindtemperatuur van het magnetron gedroogde product is moeilijk te controleren in verhouding met het drogen van tabak met hete lucht omdat hier het product niet warmer kan worden dan het medium (Zhanga, Tang, Mujumdar, & Wang, 2006).
Door gebruik te maken van het theoretisch vermogen voor het verdampen van water volgt dat er 772kW aan elektrisch vermogen nodig is voor het drogen van de tabak bij een magnetronrendement van 80%. Dit vermogen komt neer op 484,71 MJ/ton droog tabak (zie Figuur 4).
3 (Fortuin, 2006)
7
2.5 Vriesdrogen
Vriesdrogen is een dure en langzame droogtechniek door de noodzakelijke tijd waarin vocht wordt verwijderd uit het product. Dit leidt tot kleine productie hoeveelheden per tijdseenheid en hoge energiekosten door koel- en vacuümsystemen (Liapis, Pikal, & Bruttini, 1996). Hierdoor is industrieel gebruik van deze techniek weggelegd voor eindproducten van hoge monetaire waarde, of producten waaraan enkel een minimale afwijking mag ontstaan aan geur, kleur en/of smaak (Cohen & Yang, 1995). Vriesdrogen is een techniek welke wordt gebruikt voor het drogen van producten met hoge
kwaliteitseisen waaronder voedingswaren en farmaceutische middelen (Labconco Corporation,
2004) (J. Welti-Chanes, 2005). Door het drogen van deze producten wordt de houdbaarheidsperiode
verlengd onder kamertemperatuur zonder toevoegingen van conserveringsmiddelen en met behoud
van kwaliteit. Tevens zorgt het drogen ervoor dat transportkosten worden verlaagd van bv. groenten
en fruit (GEA Process Engineering Inc.).
De basis van het vriesdrogen is sublimatie. Dit is het proces waarbij een stof, in de praktijk meestal
water, meteen van de vaste fase naar de gasfase gaat zonder dat er smelting plaatsvindt. Om
sublimatie te laten plaatsvinden moet het product, met daarin opgenomen water, eerst worden
ingevroren [Punt 1 - Figuur 3] en vervolgens onderworpen worden aan een lage luchtdruk of vacuüm
in de droogruimte [Punt 2 - Figuur 3]. De sublimatie kan bevorderd worden door het opwekken van
warmte in het product, in de praktijk vaak gedaan door magnetron installaties [Punt 3 - Figuur 3].
Deze toevoeging van energie verkort de tijd van het droogproces. Het gesublimeerde ijs wordt in een
condensor opgevangen en afgevoerd terwijl droog product over blijft.
Figuur 3: Fase-diagram Water
8
De koeling, faseovergangen en opwarming uit Figuur 3 worden onderstaand uitgerekend in Tabel 3.
Sublimatie warmte van ijs is bepaald op 2837.9 kJ/kg (Feistel & Wagner, 2006).
Tabel 3: Thermisch vermogen Vriesdrogen
Het thermisch vermogen noodzakelijk om tot en met het sublimatiepunt te komen is bepaald op 1181kW. Het koelen van de vochtige tabak wordt gerealiseerd met een of meerdere koelmachines voor welke aangenomen zijn een EER4 te hebben van 35. Hiermee wordt het elektrisch vermogen voor de totale koeling bepaald op 647/3= 216kW. Verder wordt aangehouden dat het verwarmingsproces een rendement heeft van 80%, vergelijkbaar met de magnetron installatie. Verder wordt er over het totale vermogen een toeslag gehanteerd van 20% voor het inbedrijfnemen van vacuümpompen, trolley systemen en overig elektrisch apparatuur zoals meet- en regelsystemen.
4 EER vergelijkbaar met COP (EER voor toepassing bij koeling, COP voor toepassing bij verwarming) 5 Aanname o.b.v. ervaring
Punt1 naar 2
Koeling vocht in tabak Koeling droog tabak
m 0.393 kg/s m 1.387 kg/s
Cp 4.2 kJ/kg K Cp 0.350 kJ/kg K
T₁ 283 K T₁ 283 KT₂ 273 K T₂ 273 KQ 17 kW Q 5 kW
Faseovergang
Stolling 334 kJ/kgQ 131 kW
2 naar 3Koeling ijs Koeling droog tabak
Cp 2.2 kJ/kg K Cp 0.350 kJ/kg K
T₁ 273 K T₁ 273 KT₂ 255 K T₂ 255 KQ 16 kW Q 9 kW
3Sublimatie ijsm 0.188 kg/shsub 2837.9 kJ/kgQ 534 kW
Condensatie gesublimeerde ijsm 0.188 kg/shcond 2500 kJ/kg bij T=255K p=1 Torr
Q 470 kW
Water Tabak
Sub-totaal Koeling 634 kW Koeling 14 kW
verwarming 534 kW
TOTAAL Koeling 647 kW
1 naar 3 Verwarming 534 kW +
1181 kW
Water Tabak
9
Dit resulteert in een opgenomen vermogen van 1059kW en dus een energievraag van 665,37 MJ/ton tabak (zie Figuur 4).
2.6 Analyse
Een overzicht is gemaakt voor het vergelijken van de energievraag van de diverse systemen.
Onderaan in Figuur 4 wordt de verhouding weergegeven tussen de systemen in MJ/ton droog tabak
met bijhorende energieprijzen6 voor bedrijfsvoering;
Figuur 4: Energetische vergelijking droogsystemen per ton droog tabak
Uit de vergelijking blijkt dat het FTD proces het goedkoopste proces is. Het verschil met de
magnetron droger (208%) en vriesdroger (286%) is significant. Een probleem dat ontstaat bij het
toepassen van de magnetrontechniek is dat de tabak een voorbehandeling nodig heeft welke de
rookervaring van de tabak beïnvloed. Momenteel wordt deze methode alleen gebruikt bij het
drogen van RCB. Het terugwinnen van deze tabak vergt al een vergelijkbare voorbehandeling
voordat het gebruik van een magnetron droger haalbaar wordt. Het RCB tabak staat binnen de
tabaksindustrie bekend als laagwaardige tabak. Vooral de smaken van deze tabak zijn verminderd
waardoor het niet gebruikt kan worden als hoofdcomponent in sigaretten.
De vriesdroger is het systeem welke de meeste energie nodig heeft voor het drogen van de tabak.
Niet alleen is het vermogen groter in verhouding tot de FTD-installatie, maar zullen de noodzakelijke
kosten voor de aanschaf en installatie hoog oplopen.
Vriesdrogen is een methode om de kwaliteit van het product te handhaven voor opslag en transport.
Voor de productie van tabak zijn deze eigenschappen van minder belang. De originele
eigenschappen blijven met dit proces gehandhaafd. Verder vergt de installatie van een vriesdroog
systeem veel ruimte, waaronder een grote vriesruimte. Hier is het van belang dat deze goed
geïsoleerd wordt om verdere energieverliesposten te voorkomen. De nodige fabriek oppervlakten
6 Gebaseerd op energiekosten van 26,00 euro/100m3 gas, opgegeven door PMH Gebaseerd op elektriciteitskosten van 0,060 euro/kWh, opgegeven door PMH
FTD Magnetron droger Vries droger
Aardgas Elektra Elektra
Verbruik 50.8 m3/h Theoretisch vermogen 617 kW Verwarming 534 kW
Verbrandingswarmte 32 MJ/m3 Rendement 80% Rendement 80%
Opgenomen verm. 772 kW Koeling 216 kW
Elektra Overig apparatuur 20% toeslag
vermogen PG ventilator 200 kW (compr, trolley e.d.)
Opgenomen verm. 1059 kW
Tabak Tabak Tabak
Vochtig tabak IN 6409 kg/h Vochtig tabak IN 6409 kg/h Vochtig tabak IN 6409 kg/h
Droog tabak UIT 5732 kg/h Droog tabak UIT 5732 kg/h Droog tabak UIT 5732 kg/h
Verdamping vocht 677 kg/h Verdamping vocht 677 kg/h Verdamping vocht 677 kg/h
Energieverbruik Energieverbruik Energieverbruik
Gas 283.60 MJ/ton Gas 0.00 MJ/ton Gas 0.00 MJ/ton
Elektriciteit 125.61 MJ/ton Elektriciteit 484.71 MJ/ton Elektriciteit 665.37 MJ/ton
TOTAAL 409.21 MJ/ton TOTAAL 484.71 MJ/ton TOTAAL 665.37 MJ/ton
Energieprijzen Energieprijzen Energieprijzen
Gasprijs €0.008 €/MJ Gasprijs €0.008 €/MJ Gasprijs €0.008 €/MJ
Elekraprijs €0.022 €/MJ Elekraprijs €0.022 €/MJ Elekraprijs €0.022 €/MJ
Productiekosten €5.02 €/ton Productiekosten €10.47 €/ton Productiekosten €14.37 €/ton
10
welke nodig zijn voor de installatie zijn terug te vinden in Bijlage 3. Er is een keuze gemaakt op basis
van enkel de sublimatie hoeveelheid. Hieruit blijkt dat er gebruik gemaakt kan worden van 3
RAY™100 units voor elke vervanging van één FTD. Hiervoor is ca. 168m2 aan grondoppervlakte nodig
per systeem; 504m2 in totaal waarvan 180m2 aan geïsoleerde vriesruimte. Verder dient er nog een
vloeroppervlakte vrijgemaakt te worden voor het trolley systeem; totale vloeroppervlakte ca.
1000m2 voor vervanging van twee FTD’s.
Sublimatie vindt bij een lagere vochtigheidsgraad moeilijker plaats. Hierdoor zal een product langer
in vacuüm moeten verblijven afhankelijk van het vochtgehalte van het eindproduct. Tabak is een
product met een lage vochtigheidsgraad waardoor de werkelijke sublimatiehoeveelheid minder
groot kan zijn dan de aangenomen 230kg/h per vriesdroger. Indien dit zo blijkt zal er een keuze
moeten worden gemaakt tussen een extra vriesdroger of een model met grotere capaciteit. Dit
brengt ook hogere installatie- en productiekosten met zich mee.
Gezien de energievragen van de systemen is hieruit aan te nemen dat de FTD-systemen de juiste
keuze is geweest voor PMH, vooral gezien de expansie die ontstaat bij tabak drogen met stoom in
combinatie met de lage energiekosten in verhouding tot de andere systemen.
Het MCA ter beoordeling van de systemen op basis van puntentelling. De weegfactor geeft aan welk
belang elke eigenschap heeft in de beoordeling. Elk gegeven punt wordt vermenigvuldigd met de
weegfactor waarna het totaal wordt opgeteld voor het bijbehorende systeem.
De weegfactor van de tabakskwaliteit is bepaald op het feit dat er momenteel geen problemen zijn
met de eigenschappen van de tabak; het dient gehandhaafd te worden. Eventuele verbetering is een
pre waardoor de weegfactor op 1 is gehouden.
Het doel van dit onderzoek is het terugdringen van de energiekosten aan de productie van tabak. De
energievraag geeft antwoord op de vraag welk systeem het energiezuinigst is. De energievraag is
direct gekoppeld aan de energiekosten, afhankelijk van het soort energie per systeem. Denk hier aan
het verschil in energiekosten tussen elektriciteit en gas. Dit is voor een commercieel bedrijf als PMH
het meest significante aspect aan dit project en krijgt daarom de zwaarste weegfactor.
Tabel 4: MCA Drogers
Criterium FTD Magnetron droger Vriesdrogen Weegfactor
Tabakskwaliteit 2 0 2 1
Energievraag 2 0 0 2
Energiekosten 2 1 1 3
TOTAAL 12 3 5
Gezien de vergaande gevolgen van het installeren van een ander type droogsysteem is het
bedrijfskundig interessant om het huidige FTD-proces te bestuderen en na te gaan of hier
verbeteringen aan gedaan kunnen worden op het gebied van thermische efficiëntie.
11
3 METHODE VERVOLGONDERZOEK
Door het beantwoorden van de deelvragen uit hoofdstuk 1 met het vooronderzoek is gebleken dat PMH de juiste keuze heeft gemaakt met het oog op de droogkosten van vochtig tabak. Ook is er gebleken dat het overgaan op een ander droogsysteem niet economisch rendabel is en daarom geen bijdrage kan leveren aan de internationale doelstelling van PMI.
Een nieuwe inventarisatie van het FTD-principe dient duidelijkheid te gaan bieden over mogelijke stappen die kunnen leiden tot een concrete bijdrage aan de doelstelling van PMI.
Het FTD-systeem is in essentie een thermisch proces waarin mogelijk besparingen kunnen worden gerealiseerd. Hierdoor is de centrale vraag herformuleerd; Op welke wijze kunnen de FTD-2 en FTD-3 systemen bijdragen aan de noodzakelijke energiebesparing t.b.v. de internationale doelstelling van PMH?
Deelvragen worden beantwoord op basis van uitvoering van de volgende activiteiten;
1. Hoe functioneren de FTD-2 en 3 systemen op basis van energieverbruik? a. Stel een massa- en energiebalans op van het FTD-principe ter vergelijking met metingen.
2. Hoe kan er energie bespaard worden? b. Onderzoek de mogelijkheden of er parameters gewijzigd kunnen worden. c. Onderzoek of er thermische energie teruggewonnen kan worden.
3. Wat voor vermogens kunnen er bespaard worden? d. Maak een inventarisatie van de thermische energiestromen en bedrijfsuren van de FTD-
installaties?
4. Welke bestemming kan gebruikt worden voor de teruggewonnen warmte? e. Achterhaal welke bestaande systemen/processen warmte nodig hebben voor
bedrijfsvoering. f. Bereken de thermische energie die kan worden opgenomen door de verschillende
bestemmingen.
5. Op welke wijze kan de teruggewonnen warmte benut worden? g. Stel principeschets op van het besparingssysteem. h. Bepaal het nodige materiaal en opstellingslocatie.
6. Wat zijn de gevolgen van het installeren van het systeem? i. Onderzoek de proces- en regeltechnische gevolgen voor de huidige systemen.
7. Wat zijn de noodzakelijke investeringen voor constructie van het systeem? j. Bepaal de kosten voor het werktuigkundige, meet- en regeltechnische en elektrotechnische
materiaal, evenals de engineering van het systeem
Bovenstaande vragen worden beantwoord en onderbouwd in het onderzoekrapport. Tevens wordt het onderzoek voorzien van principe tekeningen ter indicatie van het ontwerp van het besparingssysteem. Het voorstel wordt aangeboden aan PMH namens Wolter en Dros, en wordt voorzien van financiële calculaties welke leiden naar een terugverdientijd, ofwel ROI.
Hieruit kan PMH een conclusie trekken over de economische haalbaarheid van het voorstel, en eventuele uitvoering van het project.
12
4 STATISCHE SIMULATIE FTD Om na te gaan of er verbeteringen aan de energie efficiëntie van de FTD installaties plaats kunnen vinden dient er gekeken te worden naar de verschillende energiestromen van en naar de FTD’s. Hiervoor is er theoretisch massa en energiebalans opgesteld; een statisch model van een batch proces tijdens productie met een FTD systeem. Aan de hand van metingen gedaan aan het systeem worden de uitgangspunten opgenomen voor het statische model. Deze waarden zijn afkomstig uit de software van de FTD-controlekamer tijdens batchproductie met FTD-2 (zie Bijlage 2). De uitgangspunten en onderbouwingen zijn te vinden in Bijlage 4. De tabak wordt gedroogd d.m.v. het verwarmen en verdampen van het aanwezige vocht uit de tabak. Dit vocht dient te worden voorzien van warmte afkomstig uit het procesgas. Het procesgas wordt verwarmd door het verstoken van aardgas in de FTD-ketels. In Bijlage 5 is het statische model weergegeven met bijbehorende thermodynamische informatie en de verbrandingsreactie van aardgas.
KETELRENDEMENT Het ketelrendement van 87,6% is bepaald aan de hand van de rookgastemperatuur. De fabrikant heeft opgegeven dat de rookgastemperatuur bij het verlaten van de ketel 300°C is. Tevens is ook een 20% overschot gebruikt aan verbrandingslucht ter voorkoming van onvolledige verbranding van het aardgas, dit heeft een negatief effect op het rendement van de ketel. Momenteel is het rendement bepaald op 87,6% bij een overmaat van 20% lucht. Bij 0% overmaat lucht wordt een ketelrendement verkregen van 89,6%. Uit veiligheidsoverwegingen zal deze maatregel niet als realistisch worden gezien i.v.m. CO-vorming.
Het rendement van de FTD-ketels kan worden verhoogd door het verlagen van de rookgastemperatuur. Momenteel staat de rookgastemperatuur opgegeven op 300°C. als deze temperatuur wordt verlaagd naar 200°C levert dit 4,3% rendementsverhoging op. Dit zal echter in overleg met de fabrikant moeten worden gedaan gezien er geen garanties gegeven kunnen worden over apparatuur welke geïnstalleerd zijn door anderen. Dit kan ook betekenen dat er een grotere wisselaar geplaatst dient te worden.
De warmte inhoud van de rookgasstroom is bepaald op basis van de norm DIN 1942. Hier wordt de waarde 1kJ/kg K gehanteerd. TAIL GAS Gezien PMH alleen de gemiddelde flow heeft opgegeven van het Tail Gas dient de exacte waarde achterhaald te worden in het energiebalans. Dit is gedaan door de energiebalans van het gehele systeem uit te balanceren op het variëren van de flow Tail Gas. Hiermee is een waarde verkregen van 877kg/h, dit is 2,6% onder de gemiddelde opgave van 900kg/h. Voor de financiële berekeningen wordt de gemiddelde waarde van 900kg/h gebruikt. Het besparen op energiekosten kan ook worden gerealiseerd door het verlagen van de PG temperatuur. Deze maatregel is al twee maal eerder uitgevoerd door PMH. De laatste keer is de temperatuur verlaagd van ca. 180°C naar 175°C. Hauni, leverancier van de FTD’s, heeft bij de laatste temperatuur verlaging laten weten hiervoor geen instemming te geven. PMH heeft dit op eigen initiatief ondernomen. Een verdere temperatuurverlaging wordt hierdoor afgeraden.
13
ANALYSE Het theoretische model is 9% zuiniger dan de praktijkmetingen hebben aangetoond. Dit kan het gevolg zijn van warmteverliezen aan het systeem welke niet zijn meegenomen in het theoretisch model. Hier kunnen in de praktijk ook verschillen in ontstaan door kleine verliezen in het systeem en meetafwijkingen aan sensoren. Het verschil is echter klein genoeg om te concluderen dat de systemen lijken te functioneren volgens het theoretisch model.
Voor het ontwerp wordt er gekeken naar de mogelijkheid om te besparen op energiekosten (elektra/gas) of het terugwinnen van energie.
Aan elektrische installaties en machines kunnen er geen significante verbeteringen plaatsvinden gezien er enkel een elektrische PG ventilator bestaat welke noodzakelijk is voor de flow van PG en tabak binnen de FTD’s. Het verlagen van het PG debiet kan zorgen voor een lager opgenomen elektrisch vermogen, en dus een besparing. Echter wordt door het verlagen van het debiet een risico gelopen dat het PG verzadigd raakt, waardoor het droogproces wordt verstoort.
De FTD-systemen zijn in oorsprong gebaseerd op een thermisch proces waardoor er meer valt te besparen bij de bron van warmte, ofwel aardgas.
Hierbij kan gedacht worden aan 2 mogelijkheden; I. Warmte terugwinnen uit de rookgassen van de FTD-2 en 3 ketels;
II. Warmte terugwinnen uit de Tail Gas van FTD-2 en 3.
Deze mogelijkheden worden in paragrafen 4.1 en 4.2 behandeld.
4.1 Warmteterugwinning Rookgas
Het thermisch vermogen dat is terug te winnen uit de rookgassen kan worden berekend aan de hand van de volgende gegevens;
Flow rookgas7 0,262 kg/s
Cp rookgas8 1,000 kJ/kg K
T-rookgas IN 300 °C
T-rookgas UIT9 70 °C
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇𝑢𝑖𝑡 − 𝑇𝑖𝑛)
𝑄 = 0,262 ∗ 1 ∗ (300 − 70)
𝑄 = 51𝑘𝑊
Als er toch condensatie plaatsvindt in de rookgassen dan zal er rekening gehouden moeten worden met de selectie materiaal van RVS316 voor o.a. leidingwerk en (grotere) warmtewisselaars.
Bij condensatie komt er nog een extra 2260 kJ/kg aan warmte vrij. In de rookgasstroom (met 20% luchtovermaat) van 0,262 kg/s zit er ca. 9% condens. Dit komt neer op een flow van 0,024 kg/s.
Dit extra vermogen komt neer op:
𝑄 = 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠 ∗ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠 = 0,024 ∗ 2260 = 54𝑘𝑊
7 Zie Bijlage 5 8 DIN Norm 1942 9 Uitgaande dat er geen condensatie plaatsvindt
14
4.2 Warmteterugwinning Tail Gas
Het terugwinnen van thermisch energie uit de Tail Gas-stroom wordt met een vergelijkbare opstelling mogelijk gemaakt als in Figuur 5.
Figuur 5: Opstelling Tail Gas terugwinning
Het thermisch vermogen dat is terug te winnen uit de Tail Gas kan worden berekend aan de hand van de volgende gegevens;
Tabel 5: Gegevens Tail Gas toevoer wisselaar
Tail Gas IN - 1 Tail Gas UIT - 2 verschil Eenheid
Temp in 132 3010 102 [°C]
Flow totaal 900 [kg/hr]
Enthalpie 251911 126 2394 [kJ/kg]
Warmte-stroom 2.267.100 113.400 [kJ/h]
Thermisch Vermogen 630 31 599 [kW]
10 Uitgangspunt – zie ook 7.2 11 Verkregen uit M&E-balans (Bijlage 5)
15
5 ONTWERP Voor het terugwinnen van warmte dient er rekening gehouden te worden met de mogelijkheid voor warmte afgifte. Als er namelijk geen warmte afgifte plaats kan vinden kan de warmte niet nuttig gebruikt worden. Omdat het thermisch vermogen aan de Tail Gas zijde ca. 12 maal zo groot is als aan de rookgaszijde zonder condensatie en ca. 6 maal zo groot als aan de rookgaszijde met condensatie zal het ontwerp ingaan op het benutten van de restwarmte aan de Tail Gas-zijde.
Het ontwerp wordt als volgt aangepakt;
I. Bepalen van een warmtebestemming voor afgifte restwarmte (5.1);
II. Ontwerpen van het nodige systeem tussen warmtebron en bestemming (5.2).
5.1 Warmtebestemmingen
In overleg met de betrokken personen van PMH zijn er verschillende opties besproken over de bestemming van de teruggewonnen warmte uit het Tail Gas. De twee beste opties zijn onderstaand behandeld.
Optie 1 - Luchtbehandelingskasten Hier zitten verwarmingsbaterijen in voor gebruik tijdens de koude perioden in het jaar. Het probleem van klimaatinstallaties is dat de nodige vermogens seizoen afhankelijk zijn. De productie van sigaretten gaat het gehele jaar door waardoor een groot gedeelte van de terugwinning niet benut kan worden, en dus geen besparing oplevert. Tevens is de fabriek van PMH over de gehele vloeroppervlakte voorzien van machines. Elke machine produceert warmte, dat op zijn beurt zorgt voor ruimte verwarming. Dit houdt in dat een groot deel van de nodige warmte in de winter al voorzien wordt door de opgestelde machines. Hierdoor is er opzoek gegaan naar een beter alternatief. Optie 2 - Voedingswater naar Ketelhuis Het ketelhuis draait evenals de productie het gehele jaar door. Het levert stoom aan productie machines, waaronder de FTD-2 en 3 systemen, en wordt gebruikt bij het verwarmen van diverse media. Het voedingswater dat voor de productie van stoom wordt gebruikt kan met de teruggewonnen warmte worden voorverwarmd. Om na te gaan welk aandeel van de beschikbare warmte in het voedingswater/suppletiewater kan worden opgenomen is er een berekening gedaan. Het gemiddelde debiet aan suppletiewater is bepaald op ca. 12 m3/h, ofwel 3,33 kg/s (Bijlage 6). Het voedingswater wordt aangeboden met een druk van ca. 4,5 bar. Bij deze druk wordt een kookpunt verkregen van ca. 120°C.
In overleg met PMH is er besloten om 85°C voor de maximale afvoertemperatuur te handhaven. Deze maximale temperatuur is nodig om de werking van de ontgasser in het ketelhuis niet te beïnvloeden. PMH wenste er verder niet op in te gaan over mogelijkheden voor het verhogen van de afvoertemperatuur gezien dit niet was opgenomen in de onderzoeksbegroting.
Om de invloed van de teruggewonnen warmte op de temperatuur van het voedingswater te bepalen is er een berekening gemaakt, waarin de aanvoer temperatuur van het voedingswater 10°C bedraagt.
16
De opstelling van Figuur 5 wordt hier gehandhaafd;
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇𝑣𝑤−𝑢𝑖𝑡 − 𝑇𝑣𝑤−𝑖𝑛)
2 ∗ 599 = 3,33 ∗ 4,2 ∗ (𝑇𝑣𝑤−𝑢𝑖𝑡 − 10) = 1198 𝑘𝑊
𝑇𝑣𝑤−𝑢𝑖𝑡 = (1198/(3,33 ∗ 4,2)) + 10 = 95,7 °𝐶
De resulterende temperatuur is hoger dan de maximaal opgegeven 85°C, maar nog altijd onder het kookpunt. Door het besluit dient het toe te voeren vermogen moeten kunnen worden beperkt op;
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇𝑣𝑤−𝑢𝑖𝑡 − 𝑇𝑣𝑤−𝑖𝑛)
𝑄 = 3,33 ∗ 4,2 ∗ (85 − 10) = 1049 𝑘𝑊
Q - Warmtestroom - [kW] Cp vw - soortelijke warmte voedingswater - [kJ/kg] Tvw-in - Temperatuur voedingswater In - [°C] Tvw-in - Temperatuur voedingswater Uit - [°C]
De eindtemperatuur kan in de praktijk gaan fluctueren door schommelingen in de flow van het ketelvoedingswater. Een temperatuur regeling kan deze schommelingen opvangen door het aan sturen van bv. regelkleppen.
De mogelijkheid van het voorwarmen van voedingswater is gezien het opneembaar vermogen gedurende het gehele jaar een uitstekende warmtebestemming. Er dient wel rekening gehouden te worden met het waarborgen van ketelhuis apparatuur, zoals een ontgasser, i.v.m. de maximale temperaturen.
5.2 Systeem ontwerp
Het systeem wordt ontworpen op basis van een werktuigkundige opbouw gepaard met een regeltechnische ondersteuning voor bedrijfsvoering. De twee disciplines worden onderstaand behandeld.
Het complete principeontwerp (zowel werktuigkundig, meet en regeltechnisch en elektrotechnisch) is zelfstandig opgesteld onder begeleiding van, en vervolgens getoetst door, personeel van W&D.
WERKTUIGKUNDIGE OPBOUW Het ontwerp wordt gebaseerd op het plaatsen van een warmtewisselaar, welke zal fungeren als koeler/condensor combinatie. Onderstaand een versimpelde weergave (zie ook Bijlage 7).
Figuur 6: PFD Warmteterugwinningssysteem per FTD
17
In overleg met PMH is besloten het voedingswaterleidingwerk uit te voeren in RVS304 gezien er hier gedemineraliseerd water is gebruikt als uitgangspunt. Het Tail Gas leidingwerk van de FTD naar de nieuwe RVS316 warmtewisselaars 32WTW01 en 33WTW01 wordt uitgevoerd in RVS30412. Tijdens het onderzoek is er additionele informatie naar voren gekomen over de aanwezigheid van tabak-stof in het Tail Gas. Bij gebruik van een standaard platenwisselaar zou de kans op verstoppingen hierdoor groot zijn, waardoor er veel onderhoud plaats zal moeten vinden. Het schoonmaken van platenwisselaars vergt veel tijd waardoor er een alternatief is aangeboden. Het betreft een demonteerbare tube and shell wisselaar13 waardoor zowel de tubes als de shell-zijde gelijktijdig gereinigd kunnen worden. Hierdoor wordt de nodige reinigingstijd verkleind. REGELTECHNIEK14 Om te voorkomen dat, bij eventuele afwijking van normale bedrijfsvoering, de temperatuur van de PG condenswater naar de riolering boven de 60 graden uitkomt, is er momenteel een regeling toegepast voor het waarborgen van de structurele integriteit van de riolering.
Het grote probleem bij het regelen van meerdere FTD’s voor het voorwarmen van het voedingswater is dat er een drukverschil moet zijn om het vermogen te kunnen regelen aan de Tail Gas-zijde. Door de eis van een minimale drukschommeling van +/- 50 mbar (zie meting PT60501 in bijlage 1) kan er niet worden voldaan aan de eis van minimaal drukverlies voor het regelen van de flow. Hierdoor is er gekozen voor een drie-standen, 50/50-regeling, ofwel open-dicht regeling.
Er wordt een bypass geplaatst over de nieuwe warmtewisselaar zodat de huidige condensors het Tail Gas kan afkoelen tot onder de vereiste 60 graden. De bypass wordt geregeld door temperatuur metingen (blad 3 van bijlage 7) in de uittredende voedingswaterleiding van de nieuwe warmtewisselaar.
De bypass wordt mogelijk gemaakt door 4 temperatuur geregelde Tail Gas-kleppen per FTD. De 32-CV-01 en 32-CV-02 kleppen vóór de nieuwe warmtewisselaar van FTD-2, en de 32-CV-03 en 32-CV-04 kleppen in de bypass. Voor FTD-3 telt dezelfde opbouw, de 33- CV-01 en 33-CV-02 kleppen vóór de nieuwe warmtewisselaar, en de33- CV-03 en 33-CV-04 kleppen in de bypass. De grootte van de kleppen staan vermeld in Tabel 7 en Tabel 8.
De 8 kleppen worden allemaal gekoppeld aan 2 temperatuurmetingen. 4 kleppen worden gekoppeld aan temperatuurtransmitter 02-TT-11 afkomstig van de retour flow van het voedingswater bij de nieuwe warmtewisselaar van FTD-2. De andere 4 kleppen worden gekoppeld aan temperatuurtransmitter 03-TT-11 afkomstig van de retour flow van het voedingswater bij de nieuwe warmtewisselaar van FTD-3. Afhankelijk van de variabele flow van het voedingswater zal de temperatuur stijgen of dalen.
De regeling zorgt ervoor dat het toe te voeren vermogen niet boven de maximaal gewenste temperatuur uitkomt. Mocht dit wel gebeuren, dan stuurt de regeling kleppen dicht, en de by-pass kleppen open. Mocht de temperatuur laag uitvallen kan het toe te voeren vermogen door de condensor opgevoerd worden door kleppen open te sturen, en de by-pass dicht. Hoe deze regeling de kleppen schakelt staat in Tabel 9. De gevolgen van het schakelen tussen de regelkleppen voor de temperatuur van het voedingswater staat vermeld in Tabel 10.
12 PMH specificatie 13 Zie Bijlage 8 14 Tabellen in Bijlage 9
18
De temperaturen waarop gestuurd moeten worden zijn te bepalen in overleg en zijn vervolgens in te stellen door het aanpassen van de setpoints.
Elke FTD wordt voorzien van een eigen regeling. Hierdoor kunnen de FTD’s separaat van de ander worden gestuurd op basis van het toe te voeren vermogen waardoor er altijd richting het optimale punt van warmteterugwinning gestuurd kan worden.
Mocht het voorkomen dat er een storing optreedt, is er een alarm gekoppeld op de voedingswaterleiding naar het ketelhuis. Zou de temperatuur hoger oplopen dan de gewenste waarde, dan zal temperatuur transmitter 04-TT-12 een melding hiervan doen. Verder zullen de bestaande condensors in bedrijf gaan indien de condenswater-afvoertemperatuur naar het riool boven de 50°C komt.
Er zijn in dit principe ontwerp geen gevaarlijke situaties die kunnen ontstaan bij het falen van dit systeem voor personeel noch materiaal.
19
6 FINANCIËLE CALCULATIES Om inzicht te krijgen over de financiële gevolgen van het aangeboden systeem is er een overzicht gemaakt van 2 verschillende besparingssituaties welke te vinden zijn in 0. Tevens zijn de berekeningen achter het overzicht te vinden in Bijlage 10.
Gedurende dit onderzoek heeft PMH laten weten een intern onderzoek te hebben ingezet over mogelijke aanpassingen aan de software van de FTD systemen. Hiermee worden het aantal idle-uren verlaagd met ±43%15 door het uit te zetten van de gehele installatie tussen elke batch tabak.
Na elke batch-productie van de FTD’s wordt het thermisch vermogen verlaagd met ca. 40%, van 50 naar 30m3/h (zie rode pijlen in Figuur 7). Tijdens deze idle-uren wordt er geen tabak gedroogd en levert het thermisch vermogen tijdens deze uren geen product op. Het gasverbruik tijdens deze idle-uren kan met de software aanpassingen naar 0 worden gebracht.
Figuur 7: Gasverbruik FTD-2 (Roze) en FTD-3 (Blauw)
Het verschil in gasverbruik in Figuur 7 ligt aan de batch grootte en de samenstelling van de verschillende tabakssoorten.
Het effect van de software op de besparingen van het ontworpen systeem zijn meegenomen in het besparingsoverzicht ter indicatie (zie 6.1). Er worden daarom twee situaties geschetst;
1. Besparingen bij het voorwarmen van voedingswater met het voorgestelde systeem 2. Besparingen bij het voorwarmen van voedingswater met het voorgestelde systeem, plus
installatie van de PMH-software
De investering voor het installeren van het ontworpen systeem wordt besproken in 6.2.
15 Van 1750 h/jaar naar 1000 h/jaar (opgave PMH)
20
6.1 Besparingen Totaal
Het besparingsoverzicht bij de toepassing van het systeem per FTD die ontstaan bij het voorwarmen van voedingswater naar 85°C zijn weergegeven in Tabel 6.
Tabel 6: Besparingen per FTD per jaar, bij voorwarming voedingswater tot 85°C
Besparingen inbedrijf Besparingen uitstoot Besparingen TOTAAL
Voorwarmen tot 85°C € 93.000 € 4.100 € 97.100
Voorwarmen tot 85°C + software € 84.400 € 3.700 € 88.100
6.2 Investering
Voor het ramen van de nodige investering zijn er een aantal eisen gesteld door PMH voor het opbouwen van een systeem. Onderstaand een aantal voorwaarden voor uitvoering van dit project;
- Demiwater/condens leidingwerk Uitvoering in RVS304
- Stoompijpen t.b.v. Tail Gas Uitvoering in RVS304
- Regelkast Oranje gekleurd (PMH specificatie)
- Regeling Honeywell Nederland
- Wisselaar Demonteerbaar, tube and shell RVS316
Het totaal bedrag voor het leveren van het nodige materiaal en uitvoeren van de nodige werkzaamheden zijn verdeeld in onderstaande posten conform de wens van PMH;
Post A, Werkzaamheden Tail Gas- en condensaatleidingen € 106.000 Post B, Werkzaamheden voedingswaterleiding € 61.000 Post C, Bouwkundige werkzaamheden € 29.000 Post D, Elektrotechnische & Regeltechnische werkzaamheden € 34.000 Totaal posten A t/m D € 230.000 Omschrijvingen van de investering zijn te vinden in Bijlage 11.
21
7 CONCLUSIE & DISCUSSIE
7.1 Return of Investment16
Het doel van dit onderzoek is het terugwinnen van thermische energie uit het te koelen Tail Gas van de FTD’s. Tijdens bedrijf wordt dit Tail Gas direct gekoeld met buitenlucht, gecondenseerd en afgevoerd naar de riolering. Door deze warmte terug te winnen voor hergebruik, wordt er een hoger thermisch rendement gehaald in de FTD processen.
Het verhogen van het rendement is te bereiken door het voorwarmen van het voedingswater. Hierdoor zal de nodige opwarming in het ketelhuis worden verlaagd, en daalt hierdoor de nodige hoeveelheid aardgas.
Deze systeemwijzigingen kunnen gerealiseerd worden met een investering van € 230.000 voor het aanpassen van beide FTD’s.
Gezien de besparingen van € 194.20017 per jaar is de ROI berekend op 1,18 jaar.
Het exacte aandeel van deze investering aan de nodige besparingen is niet uitgerekend. Uit gesprekken met PMH-personeel is dit geschat op ca. 2%.
7.2 Discussie
Diverse discussie punten zijn toegevoegd ter indicatie van de argumenten die ter sprake zijn gekomen tijdens de uitvoering van het onderzoek.
Verschil met en zonder PMH-software
Door de vermindering in idle uren van de FTD’s zal er minder energie terug gewonnen kunnen worden voor hergebruik. Vergeleken met alleen een warmteterugwinningssyteem, leidt dit tot een hogere vraag naar aardgas in het ketelhuis voor het opwarmen van voedingswater.
Hierdoor is de ROI mét PMH-software langer dan met alleen een warmteterugwinningssyteem.
Gevolgen voor het huidige systeem
Door de aanpassingen die zouden worden geïmplementeerd in het huidige systeemvoorstel zal er niks veranderen aan de werking van de huidige Tail Gas koelinstallatie op het dak.
Om te kunnen garanderen dat de eindtemperatuur niet boven de 60°C uitkomt worden de bestaande condensors functioneel gehouden voor een eventuele vliegende overname. Dit is noodzakelijk voor het geval dat er storingen ontstaan in het nieuwe warmte terugwinningsysteem.
Bij een te hoge temperatuur van het condensaat kunnen de luchtgekoelde condensors in gebruik worden genomen zoals momenteel het geval is, en kan dus de integriteit van het rioleringssysteem worden gewaarborgd.
Het behoud van de condensors heeft geen gevolgen voor de bedrijfskosten, noch bedrijfsvoering van het nieuwe systeem.
16 Bij het bepalen van de ROI is er geen rekening gehouden met een FTD-systeem voorzien van nieuwe software 17 Bij het voorwarmen van voedingswater tot 85°C, zonder PMH software
22
Variëren van gekoeld Tail Gas temperatuur
De temperatuur van het gekoelde Tail Gas kan worden ingesteld op een gewenste temperatuur.
Hoe lager de temperatuur, hoe groter het teruggewonnen vermogen, hoe groter de besparing.
Onderstaand is het verband weergegeven tussen de Tail Gas temperatuur en de
energiebesparing Figuur 8.
Figuur 8: Verband besparing en gekoeld Tail Gas temperatuur
Voedingswater voorwarmen tot 95,7°C
Mocht PMH het wenselijk vinden om het gehele beschikbare vermogen van 1198kW te
gebruiken voor het opwarmen van voedingswater, dan stijgt het rendement en verkort dit de
ROI met ±13%. Echter zal hier wel rekening gehouden moeten worden met overige toestellen
gekoppeld aan deze stroom. De werking van de regeling van deze toestellen, bv. een ontgasser,
kunnen mogelijk door de hogere temperatuur negatief worden beïnvloed.
Mocht dit, na evaluatie met PMH, geen probleem opleveren, dan wordt dit in overleg behandeld
en/of goedgekeurd.
23
8 LITERATUUR/BRONNENLIJST (sd). Opgehaald van Legacy Tobacco Documents Library:
http://legacy.library.ucsf.edu/tid/xyr46a99/pdf
Adu, B., & Otten, L. (1995). Effect of Increasing Hygroscopicity on the Microwave Heating of Solid Foods. UK: Elsevier Science Limited.
Baker, C. G. (1997). Industrial Drying of Foods. London, UK: Blackie Academic & Professional.
British American Tobacco Company. (1990, December 7). Opgehaald van Legacy Tobacco Documents Library: http://legacy.library.ucsf.edu/tid/san43a99/pdf?search=%22specific%20heat%20tobacco%22
Brown & Williamson. (sd). Opgehaald van Legacy Tobacco Documents Library: http://legacy.library.ucsf.edu/tid/nac61f00/pdf?search=%22lamina%20drying%22
Brown & Williamson. (sd). Opgehaald van Legacy Tobacco Documents Library: http://legacy.library.ucsf.edu/tid/wyi99e00
Cohen, J. S., & Yang, T. C. (1995). Trends in Food Science & Technology; Progress in food dehydration. Elsevier.
Drouzas, A. E. (1996). Microwave Application in Vacuum Drying of Fruits. UK: Elsevier Science Limited.
Durlauf, S. N., & Blume, L. E. (2008). The New Palgrave of Economics. Hampshire, Engeland: Macmillan Publishers Limited.
Encyclo.nl. (sd). Opgehaald van http://www.encyclo.nl/lokaal/10491&page=153
Feistel, R., & Wagner, W. (2006). Sublimation pressure and sublimation enthalpy of H2O ice Ih between 0 and 273.16 K. Science Direct.
Fortuin, J. (2006). Polytechnisch Zakboek [51e Druk]. Doetinchem, Nederland: Reed Business Information.
GEA Process Engineering Inc. (sd). Freeze Drying - Atlas RAY™ Plants for the Food and Beverage Industries. Columbia, USA: GEA Niro.
Glabbeek, N. v. (2009). Succesvol studeren, communiceren en onderzoeken [1ste rduk]. Amsterdam, Nederland: Pearson Education.
Hickle, J. N. (1993). Patentnr. 5,203,354. USA.
Inline. (sd). Opgehaald van http://www.inline-info.nl/statistische-analyse.html
J. Welti-Chanes, F. V.-B.-P.-H. (2005). Fundamentals and new tendencies of freeze-drying of foods. Montevideo (Uruguay): INNOVA 2012.
Labconco Corporation. (2004). A Guide to Freeze-drying for the Laboratory. Kansas City, Missouri, USA: Industry Service.
Liapis, A., Pikal, M., & Bruttini, R. (1996). Research and development needs and opportunities in freeze-drying. Drying Technology.
24
Nijhuis, H. H., Torringa, H. M., Muresan, S., Yuksel, D., & Leguijt, C. (1998). Approaches to improving the quality of dried fruit and vegetables. Trends in Food Science and Technology.
Philip Morris International. (2009). Flash Tower Dryer Equipment and Process Control [v7.0]. PMI Quality System Document Control.
Universiteit Leiden. (sd). Opgehaald van http://www.leidenuniv.nl/fsw/psychologielexicon/index.php3-c=240.htm
van Kimmenaede, A. (2005). Warmteleer voor technici. Groningen, Nederland: Wolters Noordhoff.
Zhanga, M., Tang, J., Mujumdar, A., & Wang, S. (2006). Trends in microwave-related drying of fruits and vegetables. Elsevier.
25
BIJLAGE 1 – P&ID FTD-2
26
BIJLAGE 2 – PROCESMETINGEN FTD-2
27
BIJLAGE 3 – VRIESDROGER RAY™
1 Tunnel freezing/frost storage 2 Transport by overhead rail 3 RAY™ freeze dryer 4 Heat supply system 5 Vacuum system 6 De-Icing 7 Refrigeration system 8 PC/PLC control system
28
BIJLAGE 4 – UITGANGSPUNTEN EN ONDERBOUWING
De exacte samenstelling en thermodynamische eigenschappen van het procesgas zijn niet bekend bij PMH. In overleg met PMH is besloten om de eigenschappen van het procesgas te koppelen aan die van stoom van lage kwaliteit (90%) bij 175°C.
De thermodynamische vermogens worden bepaald op basis van het enthalpie verschil tussen toe- en afvoer stromen. Gezien de onbekende samenstelling van het procesgas is het praktisch onmogelijk om correcte temperatuurberekeningen te maken. Hiermee wordt het belang van juiste temperaturen drastisch verkleind.
FTD-2 en 3 zijn vergelijkbare systemen.
De gestelde uitgangswaarden van PMH functioneren als startwaarden voor het dimensioneren van het model:
a. Relatieve vochtigheid intrede tabak - 22,1 % b. Relatieve vochtigheid uittrede tabak - 12,9 % c. Massastroom Purge/Tail Gas - 900 kg/h18
De waarden a en b zijn verkregen uit de setpoints van meetpunten ME60461 en MIC60503, te vinden in de P&ID (bijlage 2). De correcte waarde van c zal worden bepaald aan de hand van de energiebalans over de gehele FTD-installatie. Voor het systeem ontwerp is de door PMH opgegeven waarde gebruikt.
18 Geen data van metingen verkregen, is gebaseerd op een gemiddelde waarde opgegeven door PMH
29
BIJLAGE 5 – STATISCH SIMULATIEMODEL FTD
p (
bar
)T
(°C
)
m (
kg/s
)h
(kJ
/kg)
Vo
chti
g ta
bak
voch
tge
hal
te
1.78
kg/s
22.1
%R
V
PG
113
2
7.57
2493
wo
rdt
alle
en
ge
bru
ikt
bij
op
star
t
PG
+ t
abak 1
132
9.16
2072
PG
113
2
7.57
2493
tab
ak
110
-20
0 kW
1.39
0
wat
er
PG
Tai
l Gas
110
Sto
om
113
2
0.39
421
120
0.24
2519
0.06
2717
Uit
laat
gass
en
300
0.18
290
PG
113
2
tab
ak7.
3825
21
188
1.39
27Lu
cht
PG
10
wat
er
117
50.
16
188
7.38
2570
0.21
369
10
12.9
%R
V36
0kW
0.01
Ge
dro
ogd
tab
akA
ard
gas
188
1.59
71
1886
8 kW
51 k
W
614
kW
1860
5 kW
114
kW
1898
1 kW
1886
8 kW
151
kW
46.2
0 m
3/h
gas
1896
5 kW
17 k
W
Cyc
lon
e
PG
Ve
nti
lato
r
Ke
tel
30
Aardgas Rookgas
Samenstelling 1 kmol AardgasMol massa m aandeel massastroom 0.175 kg/s
CH4 81.80% 16 kg/kmol 13.1 kg/kmol
N2 14.35% 28 kg/kmol 4.0 kg/kmol Cp rookgas volgens 1.000 kJ/kg K
C2H6 2.85% 30 kg/kmol 0.9 kg/kmol DIN Norm 1942
CO2 1.00% 44 kg/kmol 0.4 kg/kmol
T-lucht IN 10 °C
Mol massa aardgas 18.4 kg/kmol T-rookgas UIT 300 °C
Q 51 kW
Molair volume gassen 22.4 m3/kmol
Rho aardgas 0.821 kg/m3
Mogelijke terugwinning
Rookgas afkoelen tot 70 °C
Volumestroom 0.013 m3/s Terugwinbaar vermogen 40 kW max
Massastroom 0.011 kg/s
stookwaarde 32000 kJ/m3
Bruto vermogen 411 kW
Rendement ketel87.6% Tabak toevoer
Netto vermogen 360 kW massatroom 1.78 kg/s
6409 kg/h
0.0000% 87.6% Vochtgehalte 22.1%
Theoretisch verbruik 46.20 m3/h Deelstroom tabak 1.39 kg/s
Debiet uit meting 50.80 m3/h Deelstroom water 0.39 kg/s
Verschil 9.06% Tabak afvoer
Vochtgehalte 12.9%
Deelstroom tabak 1.39 kg/s
Deelstroom water 0.21 kg/s
Totaal 1.59 kg/s
Samstelling lucht 5732 kg/h
Lucht mol % molaire massa
N2 0.791 28 kg/kmol Vocht uit tabak 0.19 kg/s
O2 0.209 32 kg/kmol 677 kg/h
Lucht 28.84 kg/kmol
deel O2 6.03 kg zuurstof
deel N2 22.81 kg stikstof
Massaverhouding verbranding Energibalans
Aardgas 1.00 kg toevoer afvoer
Lucht 13.01 kg 360 614
200 114
voorkoming van onvolledige verbranding 17
Veiligheid 20% 151
Overmaat lucht 2.60 kg lucht/kg aardgas 727 727
Massastroom lucht0.165 kg/s
0
Rendement ketel
PG berekenen
31
Aa
rdg
as
Lu
ch
tR
oo
kg
as
Sam
en
ste
llin
gM
ol m
as
sa
m a
an
de
el
m%
Sam
en
ste
llin
gM
ol m
as
sa
m a
an
de
el
m%
Sam
en
ste
llin
gM
ol m
as
sa
m a
an
de
el
m%
CH
481.8
%16
kg/k
mol
13.1
kg/k
mol
71%
N2
79.1
%28
kg/k
mol
22.1
kg/k
mol
77%
N2
76.5
%28
kg/k
mol
21.4
kg/k
mol
77%
N2
14.4
%28
kg/k
mol
4.0
kg/k
mol
22%
O2
20.9
%32
kg/k
mol
6.7
kg/k
mol
23%
CO
27.0
%44
kg/k
mol
3.1
kg/k
mol
11%
C2H
62.9
%30
kg/k
mol
0.9
kg/k
mol
5%
H2O
13.7
%18
kg/k
mol
2.5
kg/k
mol
9%
CO
21.0
%44
kg/k
mol
0.4
kg/k
mol
2%
O2
2.8
%32
kg/k
mol
0.9
kg/k
mol
3%
Gem
iddeld
e m
ol m
assa
18.4
kg/k
mol
Gem
iddeld
e m
ol m
assa
28.8
kg/k
mol
Gem
iddeld
e m
ol m
assa
27.9
kg/k
mol
Re
acti
eve
rge
lijk
ing
en
Bij
verb
andin
g v
an
1 k
mol A
ard
gas
met
20%
Ove
rmaat
lucht
Vo
or
rea
cti
eC
ON
TR
OL
E R
EA
CT
IEN
a r
ea
cti
e
C0.8
85
0.0
00
C0.8
85
Deelreactie m
eth
aan
N19.2
10.0
00
N19.2
1
0.8
2C
H4
+1.6
4O
2=
0.8
2C
O2
+1.6
4H
2O
O4.1
86
0.0
00
O4.1
86
H3.4
43
0.0
00
H3.4
43
Deelreactie e
thaan
klo
pt
0.0
3C
2H
6+
0.1
0O
2=
0.0
6C
O2
+0.0
9H
2O
Volle
dig
e v
erb
randin
g a
ard
gas
lucht
rookgas
0.8
2C
H4
+0.1
4N
2+
0.0
3C
2H
6+
0.0
1C
O2
+9.4
6N
2+
2.0
8O
2→
0.8
9C
O2
+9.6
0N
2+
0.3
5O
2+
1.7
2H
2O
Mola
ir v
olu
me
=22.4
m3/k
mol
Rho
Aard
gas
0.8
2kg/m
3R
ho
Lucht
1.2
9kg/m
3R
ho
Rookgas
1.2
4kg/m
3
Aa
rga
skm
ol
kg
Lu
ch
tkm
ol
kg
Ro
okg
as
km
ol
kg
CH
40.8
213
N2
9.4
6265
CO
20.8
938.9
4
N2
0.1
44
O2
2.0
867
N2
9.6
0268.8
911
C2H
60.0
30.9
O2
0.3
511.1
088
CO
20.0
10.4
H2O
1.7
230.9
87
118
12
332
13
350
32
BIJLAGE 6 – SUPPLETIEDIAGRAM KETELVOEDINGWATER
Figuur 9: Suppletiewater naar ketelhuis
33
BIJLAGE 7 – PRINCIPE TEKENING TERUGWINNING FTD’S
34
BIJLAGE 8 – TEKENING WARMTEWISSELAAR
35
BIJLAGE 9 – GEGEVENS REGELING EN REGELKLEPPEN
Tabel 7; Afmetingen regelkleppen FTD-2
FTD-2
Warmtewisselaar by-pass
klep 32-CV-01 32-CV-02 32-CV-03 32-CV-04
Afmeting DN200 DN150 DN200 DN150
Flow [kg/h] 600 300 600 300
Drukverlies over kleppen [kPa] 1,325 1,352 1,325 1,352
Tabel 8; Afmetingen regelkleppen FTD-3
FTD-3
Warmtewisselaar by-pass
klep 33-CV-01 33-CV-02 33-CV-03 33-CV-04
Afmeting DN200 DN150 DN200 DN150
Flow [kg/h] 600 300 600 300
Drukverlies over kleppen [kPa] 1,325 1,352 1,325 1,352
Tabel 9: Kleppenstand per regeling
FTD-2 FTD-3 Tail Gas
Warmtewisselaar Bypass Warmtewisselaar Bypass Flow totaal
Kleppen 32-CV-01 32-CV-02 32-CV-03 32-CV-04 33-CV-01 33-CV-02 33-CV-03 33-CV-04 Condensor By-pass
Uitbedrijf Dicht Dicht Open Open Dicht Dicht Open Open 0 kg/h 1800 kg/h
1/3-regeling Dicht Open Dicht Open Dicht Open Dicht Open 600kg/h 1200 kg/h
2/3-regeling Open Dicht Open Dicht Open Dicht Open Dicht 1200 kg/h 600 kg/h
3/3-regeling Open Open Dicht Dicht Open Open Dicht Dicht 1800 kg/h 0 kg/h
Tabel 10: Temperatuurverloop voedingswater per regelstand
FTD-2 + 3 Tail Gas
Warmtewisselaar Flow totaal
Temp. in Temp. uit Condensor By-pass
1/3-regeling 10°C 39°C 600kg/h 1200 kg/h
2/3-regeling 10°C 67°C 1200kg/h 600 kg/h
3/3-regeling 10°C 96°C 1800kg/h 0 kg/h
36
BIJLAGE 10 – BESPARINGEN
Besparing bij voorwarmen tot 85°C
De energie kosten die momenteel worden verbruikt bij het koelen van het Tail Gas, door middel van het condensor systeem, worden gecalculeerd voor vergelijking met de mogelijke besparingen van het berekende systeem.
Uitgangspunten: - De uitgangswaarde voor de maximale voedingswatertemperatuur is bepaald op 85°C.
Hierdoor komt de totale energievraag van het voedingswater op 1049/2 = 525 kW per FTD;
- Uitgaande van 50 weken per jaar, waarin een FTD per week 75 bedrijfsuren in combinatie met 35 uren in stand-by/idle modus staat, worden de energievragen naar stoom en elektriciteit berekend;
- Mogelijke aanpassingen in de software voor de besturing van de FTD’s is hier niet
meegenomen. Besparingen bij warmteterugwinning Tail Gas
Tabel 11; Energiebesparing per jaar, per FTD aan Tail Gas
Tail Gas
Bedrijf Idle
Opneembaar vermogen per FTD 525 kW 33319 kW
Uren per jaar (50 weken per jaar) 3750 1750
Subtotaal per jaar, per FTD 7087500 MJ 2097900 MJ
Totaal per jaar, per FTD 9185400 MJ
Besparingen aan elektriciteit
Tabel 12; Energiebesparing per jaar, per condensor aan elektriciteit
Elektra - condensor ventilatoren
Bedrijf Idle
Vermogen 2*12kW 2*2kW
Uren per jaar (50 weken per jaar) 3750 1750
Totaal per stand 324000 MJ 25200 MJ
Totaal per jaar, per condensor 349200 MJ
Besparingen aan kosten
Tabel 13; Besparingen bedrijfsvoering koeling Tail Gas
Tail Gas Elektra
Energievraag 9185400 MJ 349200 MJ
Energieprijzen 0,0093 euro/MJ 20 0,0216 euro/MJ 21
Besparing bedrijfsvoering per jaar €85.424 €7.542,72
De totale besparing die ontstaat bij het voorwarmen van voedingswater naar 85°C komt neer op het volgende;
€ 85.424 + € 7.543 = € 92.967 per jaar per FTD
19 Opgave PMH 20 Gebaseerd op energiekosten van 26,00 euro/100m3 gas, opgegeven door PMH bij een ketel rendement van 87,6% 21 Gebaseerd op elektriciteitskosten van 0,060 euro/kWh, opgegeven door PMH
37
Besparing bij voorwarmen tot 85°C + installatie nieuwe software PMH
Tijdens dit onderzoek heeft PMH laten weten dat er een intern onderzoek gaande was over het verstellen van een aantal setpoints van de FTD-systemen d.m.v. software vernieuwingen en/of aanpassingen. Hiermee tracht PMH het gasverbruik van de installatie te reduceren.
Mocht er sprake zijn van het overschakelen naar nieuwe software voor de besturing van de FTD’s zullen er veranderingen ontstaan in de idle-uren.
Uitgaande van 50 weken per jaar, waarin een FTD per week 75 bedrijfsuren in combinatie met 20 uren in idle modus staat, worden de energievragen naar stoom en elektriciteit berekend.
Besparingen bij warmteterugwinning Tail Gas
Tabel 14; Energiebesparing per jaar, per FTD aan Tail Gas
Tail Gas
Bedrijf Idle
Opneembaar vermogen 525 kW 33322 kW
Uren per jaar (50 weken per jaar) 3750 1000
Totaal per stand 7087500 MJ 1198800 MJ
Totaal per jaar, per FTD 8286300 MJ
Besparingen aan elektriciteit
Tabel 15; Energiebesparing aan elektriciteit per jaar per condensor met nieuwe software
Elektra - condensor ventilatoren
Bedrijf Idle
Vermogen 2*12kW 2*2kW
Uren per jaar (50 weken per jaar) 3750 1000
Totaal per stand 324000 MJ 14400 MJ
Totaal per jaar, per condensor 338400 MJ
Besparingen aan kosten
Tabel 16; Besparingen bedrijfsvoering koeling Tail Gas, met nieuwe software
Tail Gas Elektra
Energievraag 8286300 MJ 338400 MJ
Energieprijzen 0,0093 euro/MJ 23 0,0216 euro/MJ 24
Besparing bedrijfsvoering per jaar € 77.062 € 7.309
De totale besparing die ontstaat bij het voorwarmen tot 85°C + de nieuwe software komt neer op het volgende;
€ 77.062 + € 7.309 = € 84.371 per jaar per FTD
22 Opgave PMH 23 Gebaseerd op energiekosten van 26.00 euro/100m3 gas, opgegeven door PMH bij een ketel rendement van 87,6% 24 Gebaseerd op elektriciteitskosten van 0,060 euro/kWh, opgegeven door PMH
38
Besparing op CO2-uitstoot per FTD
De besparingen die komen kijken bij het bedrijfsvoeren van de stoom productie omvatten ook de besparingen bij de uitstoot van CO2. De kosten voor de uitstoot van CO2 bedraagt 7 euro per ton.
Voorwarmen tot 85°C
Bij het plaatsen van een warmtewisselaar wordt er in bedrijfstoestand 7.087.500 / 28,0325 = 252.854 m3 per jaar aan aardgas bespaard bij de productie van stoom in het ketelhuis. In idle modus bedraagt dit 2.097.900 / 28,03 = 74.844 m3 aardgas per jaar.
Voorwarmen tot 85°C + software installatie
Na installatie van nieuwe software blijft de besparing op aardgas in bedrijfstoestand 7.087.500 / 28,03 = 252.854m3 per jaar aan aardgas bespaart bij de productie van stoom in het ketelhuis. Terwijl dit in Idle modus 1.198.800 / 28,03 = 42.768 m3 aardgas per jaar bedraagt.
Aan de hand van de verschillende bedrijfsstanden wordt de besparing in uitstoot weergegeven in Tabel 17, samen met de bijbehorende kosten. Per 1m3 aardgas komt er 1,8 kg CO2 vrij.
Tabel 17: Besparing aan uitstoot per bedrijfstoestand
Besparing aardgas
(87,6% ketelrendement)
Vermindering CO2-Uitstoot Besparing (per jaar)
Voorwarmen tot 85°C
Bedrijf 252.854 m3 455.137 kg/jaar € 3.185,96
Idle 74.844 m3 134.719 kg/jaar € 943,03
589.856 kg/jaar € 4.128,99
Voorwarmen tot 85°C +
software aanpassingen (PMH)
Bedrijf 252.854 m3 455.137 kg/jaar € 3.185,96
Idle 42.768 m3 76.982 kg/jaar € 538,88
532.119 kg/jaar € 3.724.84
25 Gebaseerd op een verbrandingsrendement van 87,6% van aardgas (32 MJ/m3 x 0.876)
39
BIJLAGE 11 – OMSCHRIJVING INVESTERING
Werkzaamheden Tail Gas en condensaatleiding: • Leveren en monteren van 2 stuks nieuwe RVS warmtewisselaars, te plaatsen op een tevens nieuw te leveren ondersteuningsframe. Het nieuwe frame wordt uitgevoerd in thermisch verzinkt staal en zal voorzien worden van de nodige bordessen en leuningen t.b.v. onderhoudswerkzaamheden.
Montage en bevestiging aan het reeds bestaande dakframe. • Aanpassingen aan de huidige Tail Gas- en condensaatleidingen, zodanig dat de benodigde (regel)afsluiters en overige appendages kunnen worden gemonteerd en de leidingen aangesloten kunnen worden op de nieuwe warmtewisselaars.
• Het leidingwerk t.b.v. condensaatafvoer uit de nieuwe warmtewisselaar zal vorstvrij worden gehouden middels het aanbrengen van elektrische tracing en worden afgewerkt met steenwol isolatie, afgewerkt met aluminium beplating.
• Zowel de bestaande als de nieuwe stoomleidingen zullen worden voorzien van steenwol isolatie, afgewerkt met aluminium beplating. Appendages en flenzen blijven ongeïsoleerd.
Werkzaamheden voedingswaterleiding • Leveren en monteren van ca. 300m leidingwerk t.b.v. transport van voedingswater vanaf de warmtewisselaars op het dak naar de boilerruimte op de begane grond. Ter plaatse van het bordes in de boilerruimte zal een intakking worden gemaakt op het bestaande leidingwerk, welke voorzien zal worden van de nodige appendages zoals circulatiepomp, terugslagklep en (inregel)afsluiters.
• Aanvoer- en retourleiding worden voorzien van steenwol isolatie, afgewerkt met aluminium beplating. Appendages en flenzen blijven ongeïsoleerd.
Leidingnet stoom, condensaat en voedingswater • Het leidingnet zal worden uitgevoerd in ongegloeide, roestvrij stalen, gelaste buis, kwaliteit 304L. De buizen en appendages worden d.m.v. overschuifflenzen aan elkaar verbonden. Fittingen worden d.m.v. lassen aan elkaar verbonden.
Elektrotechnische werkzaamheden • Het leveren en monteren van een nieuwe regelkast, incl. software en bekabeling naar de diverse componenten en veldapparatuur. Opstelling in de technische ruimte ter plaatse.
Algemene voorzieningen en werkzaamheden • Leveren van steigers gedurende werkzaamheden • Engineering • Tekenwerk • Werkvoorbereiding • Projectleiding
40
BIJLAGE 12 – PRINCIPE REGELINGEN FTD-2 & 3
a) Inlet tobacco moisture measurement and the related control to provide the tobacco mass flow set point to the inlet weighing belt (Feed-forward controller)
b) Exit tobacco moisture measurement after the cooling and the related closed loop PID control to provide additional adjustment to the tobacco mass flow set point to the inlet weighing belt (Final moisture controller)
c) Process gas mass flow measurement d) Tail gas mass flow measurement e) Process gas pressure measurement and the related closed loop PID control f) Oxygen concentration measurement g) Process gas temperature measurement and the related closed loop PID control h) Fuel flow measurement and the related closed loop PID to control the fuel flow to the
furnace i) Steam mass flow measurement and the related closed loop PID control j) Water mass flow measurement and the related closed loop PID control (exception:
measurement of cleaning water flow not required) k) Measurement of the combustion chamber temperature l) Measurement of the flue gas temperature after the heat exchanger m) Measurement of the exit tobacco temperature after cyclone n) Measurement of the exit tobacco temperature after cooling
