Tørring og procesopvarmning med IR-brændereAsger N. Myken BaggrundDer findes talrige eksempler på, at der kan opnås væsentlige energibesparelser ved anvendelse af gasfyrede IR-brændere (infrarød stråling) til en række processer. Det gælder fx tørring og procesopvarmning, og typiske energibesparelser ligger i intervallet 5-30%. Desuden kan CO2-emissionen og det primære energiforbrug reduceres ved konvertering fra el-opvarmede til gasfyrede IR-paneler. Anvendelsesområde og begrænsningerInfrarød stråling er særdeles effektiv til opvarmning og tørring af en række emner. Sammenlignet med en almindelig konvektiv tørreproces, kan der opnås en meget intens og effektiv varmeoverførsel med gasfyrede IR-paneler. Metoden er dog begrænset til processer med emner, som er karakteriseret ved at have store flader, lav emnetykkelse og simple geometrier. Det skyldes, at IR-strålingen bevæger sig direkte fra brænderoverfladen til emnet, og dermed kun rammer de flader, som er synlige fra brænderen. Endvidere er IR-brændere begrænset til lavtemperaturprocesser, dvs. med en maksimal procestemperatur på ca. 400°C, da effektiviteten falder ved højere temperaturer. Nedenfor er angivet eksempler på processer, som IR-brændere kan anvendes til: Tørring
Opvarmning
Fødevareproduktion
Overfladebehandling, hærdning
UdbredelseGasfyret IR er generelt ikke særlig udbredt i Danmark. De primære årsager hertil vurderes at være - prisen - at hvert enkelt IR-installation kræver en individuel dimensionering - manglen på referenceanlæg og erfaringer fra Danmark. Der findes ikke nogen systematisk undersøgelse af udbredelsen, men i tabel 1 er vist skønnede værdier for en række anvendelsesområder.
Tabel 1. Vurdering af udbredelsen af IR i en række processer. PotentialeDet er vanskeligt at fastlægge anvendelsespotentialet på baggrund af de foreliggende oplysninger, som i visse tilfælde afviger markant fra hinanden. Baseret på erfaringer fra en række europæiske lande er det samlede potentiale for IR-anvendelse (gas+el) vurderet til ca. 600 GWh/år. I de pågældende lande er hovedparten (op til 90%) dog typisk el-baseret, men der forekommer store variationer, hvilket bl.a. skyldes forskellige prisforhold mellem naturgas og elektricitet. Da forholdet mellem energiprisen for elektricitet og naturgas er forholdsvist stort i Danmark, kan man forvente en større andel af gasbaseret IR end 10%. Et potentiale mellem 50-100 GWh/år vurderes derfor at være et konservativt skøn. Mulighederne for anvendelse af gasfyret IR i tekstilindustrien er tidligere undersøgt ref. 3,4. Potentialet i tekstilindustrien vurderes at være ca. 20-35 GWh. I Energistyrelsen’s Teknologikatalog ref. 5 vurderes, at 10% af industriens varmeforbrug til tørring kan etableres med IR-teknologi med direkte brændselsanvendelse, dvs. gasfyret IR. Det svarer til ca. 660 GWh/år, alene til tørring. Teknisk beskrivelseFigur 1 viser den principielle opbygning af en gasfyret IR-brænder. En forblandet gas/luft-blanding ledes ind i et fordelingskammer, hvorefter den strømmer gennem en porøs matrix. Forbrændingen stabiliseres i de yderste millimeter af brændermaterialet, og brænderoverfladen opvarmes til mellem 800-1100°C, og udsender derfor termisk stråling i det infrarøde område. Brænderoverfladen er rødlig ved denne temperatur. Det er altså selve brænderen, samt de varme røggasser, som udsender strålingen, i modsætning til fx gasfyrede strålerør, hvor strålingen overføres indirekte til processen.
Figur 1. Princip for gasfyret IR-brænder Gassen forbrændes i princippet fuldstændigt inde i brændermaterialet, og der er således ingen, eller kun små, synlige flammer. Brænderoverfladen virker som flammeholder, fordi der trækkes energi ud af forbrændingszonen. Forbrændingstemperaturen er derfor relativ lav, hvilket betyder, at NOx-emissionerne fra denne type brænder også er lave. Typisk udsendes mellem 30-50% af den indfyrede effekt som infrarød stråling, mens resten af energien er indholdt i de varme røggasser. Selv om røggasserne eventuelt også bidrager til opvarmnings- eller tørreprocessen, er det dog oftest nødvendigt at udnytte røggassernes energiindhold for at opnå en tilfredsstillende totalvirkningsgrad. I mange processer indgår en IR-sektion i kombination med en anden gasfyret delproces, fx en konvektiv tørresektion, hvori røggasserne fra IR-panelerne kan udnyttes. Strålingen fra IR-panelet overføres direkte til emnet og vandindholdet (ved tørreprocesser) i dette, og der er dermed tale om en effektiv og indirekte proces (ingen røggaskontakt). Ofte bidrager røggasserne fra brænderne dog også til processen. IR-stråling er en meget intensiv energioverførsel sammenlignet med konvektiv opvarmning, og der kan derfor konstrueres meget kompakte IR-sektioner. Derfor er det ofte muligt at etablere IR-sektioner i, eller i forbindelse med, eksisterende produktionsudstyr. Som følge af den intensive opvarmning og tørring kan produktionshastigheden ofte øges væsentligt ved anvendelse af IR-tørring. Dermed opnås også en indirekte forbedring af energieffektiviteten, idet tab, som er forholdsvis uafhængige af produktionshastigheden (overfladetab fra produktionsudstyr, distributionstab, opstarts- og tomgangstab osv.), dermed udgør et mindre energiforbrug pr. produceret enhed. MiljøforholdAnvendelse af gasfyrede IR-paneler medfører ofte en reduktion af energiforbruget for den pågældende proces. Dermed opnås en tilsvarende reduktion i emissionen af CO2 og andre skadelige komponenter. Der kan endvidere opnås en reduktion af processens miljøbelastning ved brændselssubstitution, ved konvertering fra el-baseret IR til gasfyrede IR-paneler. Overfladebrænderens forbrændingsprincip betyder, at flammetemperaturen er lav i forhold til traditionelle brændere. Dermed opnås særdeles lave NOx-emissioner, og emissionerne af CO og uforbrændte kulbrinter er også lave. ØkonomiIR-anlæggene designes til den aktuelle anvendelse, og det er dermed ikke muligt at angive nogle generelle prisniveauer for disse brændere. Sammenlignet med traditionelle gasbrændere er IR-brændere dog ofte dyrere. Da der ofte opnås en energibesparelse ved anvendelse af IR-paneler, kan der på grund af besparelsen i energiomkostninger dog tit opnås acceptable tilbagebetalingstider for en investering i IR-paneler. LeverandørerDer findes en lang række leverandører af gasfyrede IR-paneler, hvoraf nogle er specialiserede i IR-udstyr, mens andre har dette som en del af et bredt udstyrsprogram. I det følgende er nævnt nogle eksempler, og desuden findes der en god liste over leverandører på den følgende Internet-hjemmeside: http://chemeng1.kat.lth.se/res/drying/IRlinks000505.htm Stordy Combustion Engineering B.V.Sælger bl.a. gas- og oliebrændere til industrielle processer, herunder IR-brændere.Jolweg 24 Babcock Textilmaschinen GmbhProcesudstyr til tekstilindustrien, herunder IR-fortørringsenheder.Postfach 3148 Babcock Textilmaschinen’s danske agent er: Niese kemi & teknik Aps N.V. Acotech S.A.Producent af metalfibre og IR-brændere. Designer og producerer brændere til forskellige processer.Bekaertstraat 2 Dutch Oven SystemsKomplette ovne og tørremaskiner, forskellige processer.Graafschapsstraat 5 Vulcan Catalytic Systems Ltd.Katalytiske IR-brændere, tekstil, termoformgivning (plast).Post Office Box 855 GoGas Goch GmbH & CoRumopvarmning og industrielle processer.Postfach 35 01 10 PED Technologies Ltd.Komplette ovne til overfladebehandlingsprocesser til fx metal, plastic og træ.Huxley Close, Park Farm South SOPARAKomplette anlæg til bl.a. fødevareproduktion, termoformgivning og tørring af tekstil og papir.Parc La Poudrette Lamartine SUNKISSKomplette systemer med katalytiske brændere til bl.a. våd- og pulverlakering af metal, træ og glas, overfladebehandling, trykning (tørring af farve), termoformgivning og varmebehandlingsprocesser.6-10, Boulevard des Monts d'Or Rademaker den Boer BVOvne og procesudstyr til fødevareindustrien.Singel 20 Referencer
|
