Haalbaarheidsstudie. Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding. P2 Energie Neutraal Papier. Auteur(s): L. de Vries,

Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding P2 Energie Neutraal Papier

Auteur(s): Publicatiedatum: Aantal pagina’s:

L. de Vries, 1 Augustus 2013 12

KENNISCENTRUM PAPIER EN KARTON IJsselburcht 3, 6825 BS Arnhem - www.kcpk.nl

Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding

2.

Inhoud

1.

Inleiding .......................................................................................................................................................................2

3.

Studie .............................................................................................................................................................................3

4.

De projecten................................................................................................................................................................5

5.

Literatuurlijst .......................................................................................................................................................... 12

3.

Inleiding

In 2004 is de Nederlandse papier- en kartonindustrie, in samenwerking met het Ministerie van Economische Zaken, gestart met de Energietransitie papierketen (ETPK) met de ambitie: “Halvering van het energieverbruik per eindproduct in de keten in de periode 2005–2020”. In 2008 is een businessplan geschreven voor de gehele looptijd. Het plan geeft een combinatie van papier- en kartonspecifieke projecten en projecten in alliantie met andere sectoren zoals de agro-bulk industrie en de chemische industrie. Centraal in de uitvoering staat echter het Transitiehuis Papier. Het “Transitiehuis Papier” omvat 6 werkpakketten. Binnen werkpakket A (WPA) zijn er een achttal haalbaarheidsstudies afgesproken. Het doel van de haalbaarheidsstudies is om een basis te leggen voor het schrijven van een roadmap om succesvol stappen te kunnen zetten op weg naar de gestelde ambitie. Voor het programma ‘Energie Neutraal Papier’ zijn er twee haalbaarheidsstudie gedefinieerd: 1. Symbiose mogelijkheden in toepassing, ’groen gas’, efficiënte energieconversie, en warmtebenutting 2. Alternatieve droogtechnieken / warmtehuishouding Deze haalbaarheidsstudie is gericht op alternatieve droogtechnieken / warmtehuishouding

Pagina 2 van 12 Publicatiedatum 27-02-2013


4.

Studie

Het doel van deze studie is om inzicht te geven in kansen voor optimalisatie van de warmtehuishouding in de papier- en kartonindustrie, inzicht in de techno-economische haalbaarheid van warmteterugwinning routes maar ook in mogelijke knelpunten. De uiteindelijke doelstelling is de benutting van het grote potentieel restwarmte in de Nederlandse papier- en kartonindustrie dichterbij te brengen. Hiertoe is inzicht nodig in de beschikbare mogelijkheden tot restwarmtebenutting en in de huidige belemmeringen die benutting in de weg staan. Concreet betekent dit dat na een inventarisatie een overzicht zal worden gecreëerd van de beschikbare technologieën en mogelijke benuttingsvormen op het gebied van warmte. Als basis moet inzichtelijk gemaakt worden wat de beschikbare restwarmtestromen zijn en wat hiervan de totale potentie is voor terugwinning. In 2008 is voor het verkrijgen van dit inzicht een restwarmte benchmark gedaan. Onderstaand figuur illustreert de beschikbare restwarmte vanuit de droogprocessen. Hieruit kwam naar voren dat aan restwarmte uit het droogproces 11 PJ van 31 PJ op jaarbasis meetbaar vrijkomt. Daar verschillende restwarmte technologieën restwarmte vragen op verschillende temperatuur niveaus is er ook in meer detail gekeken naar de hoeveelheid terugwinbare warmte per temperatuur.

Restwarmte uit droogprocessen (totaal NL) 14.000.000 12.000.000 10.000.000

GJ

8.000.000 6.000.000 4.000.000 2.000.000 0

enthalpie naar buitenlucht

extra teruggewonnen energie

In parallel is er op een zestal hoofdonderwerpen onderzoek gedaan naar de toepasbaarheid of haalbaarheid. Hiervan staat op de volgende pagina een overzicht.


Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding Op een aantal veel belovende of nog relatief onbekende deelonderwerpen zijn projecten gedaan, deze staan vet gedrukt. De uitgevoerde projecten zijn volledig van vorm en afzonderlijk gerapporteerd, hiervan zijn in het hierop volgende hoofdstuk samenvattingen opgenomen. 1. Mogelijkheden om restwarmte te beperken bijvoorbeeld:  Optimalisatie huidige droogprocessen binnen project SED  Alternatieve droogprocessen 2. Technologieën om restwarmte terug te winnen bijvoorbeeld:  Diverse type warmtewisselaars  Warmwaterwinning uit dampstromen middels membraantechnologie binnen het project CapWA  Restwarmteterugwinning aan de bron(uit vochtige pockets) 3. Lage temperatuur benuttingsmogelijkheden intern en extern bijvoorbeeld:  Verhoogde procestemperaturen, Hot Paper  Ruimteverwarming / Warmte Koude Opslag (WKO)  Droging van reststromen of externe producten op eigen terrein  Uitkoppeling restwarmte extern 4. Bestaande technologieën om restwarmte kwaliteit te verbeteren bijvoorbeeld:  Warmtewiel (sorptiedroger)  Hoge temperatuur warmtepomp, project Hyacint  Mechanische damprecompressie 5. Hoge temperatuur benuttingsmogelijkheden intern en extern 6. Bestaande technologieën om restwarmte om te zetten in koude of elektriciteit bijvoorbeeld:  Absorptiekoeling  Organic Rankine Cycle  Thermo Accoustic Power generation In de meeste gevallen zal voor het hergebruik van restwarmte een aantal opeenvolgende stappen plaatsvinden. Bijvoorbeeld terugwinning → opwaardering →inzet. Hierdoor zullen een aantal technologieën complementair aan elkaar zijn. Voor de inzet van een aantal anderen zal er een keuze gemaakt moeten worden welke het beste binnen de huidige procesvoering past.



5.

De projecten

SED: Optimalisatie huidige droogprocessen De droogpartij gebruikt meer dan 50% van het totale energiegebruik in de papier- en kartonindustrie. Door optimalisatie van het droogproces kan fors bespaard worden op dat verbruik. Door de luchthuishouding en warmteterugwinning beter te bedrijven en in te richten kan hiermee een aandeel geleverd worden. Hiervoor is het SED (Simulation Energy efficiency Drying processes) ontwikkeld. Hiermee kunnen technologen een procesmodel opstellen van de lucht- en stoomsystemen in de droogprocessen van hun fabriek. Met een dergelijke balans wordt inzicht verkregen in de het energiegebruik rond de droogkap. Hierdoor kan gericht gewerkt worden aan optimalisatie van het bestaande proces; zowel door laagdrempelige ingrepen zoals wijzigen van setpoints of inspectie- en schoonmaakfrequenties, alsook door gerichte investeringen in een efficiëntere kap, meet- en regelsystemen, leidingwerk en/of warmtewisselaars. Het SED bestaat uit een aantal modulen die te combineren zijn tot een procesmodel van elk gewenst droogproces. Het opbouwen van een procesmodel wordt hiermee aanzienlijk vereenvoudigd. Ook levert het bijbehorende instructiemateriaal en een gestandaardiseerd draaiboek voor het gebruik, de technologische staf veel tijdwinst en inzicht bij analyse van het proces en verbeteropties. Berekeningen van het energiegebruik zijn gebaseerd op de invoer van actuele procesgegevens zoals temperaturen, (lucht)stromen en het dauwpunt. Het pakket standaardmodulen wordt geleidelijk aan uitgebreid zodat de toepassing van nieuwe technologie in een droogproces eenvoudig kan worden getoetst. Zo wordt momenteel in de lopende projecten rond warmtepomptechnologie en membraanafscheiding ook gewerkt aan modules voor gebruik in het SED pakket. Een goed opgebouwd en gevalideerd procesmodel is in principe te gebruiken voor monitoring van nietmeetbare procescondities. Een SED procesmodel kan dus als soft-sensor worden toegepast voor offline monitoring van condities die de energieefficiënte van het droogproces bepalen. Denk daarbij aan lekluchtstromen en warmteoverdrachtscoëfficiënten (vervuiling). Toepassing in een advisory control loop op niveau van de staf voor bijsturen van instellingen of onderhoud komt dan al snel dichtbij. Zodra het SED pakket zich heeft bewezen in toepassing voor analyse, kan de toepassing in monitoring en control worden uitgewerkt. Bij Smurfit Kappa Solid Board en Papierfabriek Doetinchem wordt gewerkt aan pilots voor hulp bij de implementatie van het SED model. Dit levert de deelnemende fabrieken inzicht in hun proces en het verbeterpotentieel. Beide pilots worden benut om het SED pakket te vervolmaken. Ook wordt een draaiboek voor succesvolle implementatie opgesteld. Pagina 5 van 12 Publicatiedatum 27-02-2013

Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding CapWA: Warmwaterwinning uit dampstromen middels membraantechnologie Het leeuwendeel van het energiegebruik in de papierindustrie komt voor rekening van de warmtebehoefte in de droogpartijen. Een relatief groot deel van de daar gebruikte warmte wordt aan de omgeving afgegeven als restwarmte via de uitlaatgassen. Een deel van die warmte kan worden teruggewonnen via warmtewisselaars. Door warmtewisseling daalt echter de temperatuur van de teruggewonnen warmte en is deze niet direct inzetbaar in de processen waar deze vandaan komt. Hierdoor is er een warmteoverschot en kan een groot deel van deze restwarmte niet nuttig via warmtewisseling worden ingezet. Wanneer het mogelijk wordt om direct de damp af te kunnen scheiden dan kan de restwarmte op een hoger temperatuurniveau opnieuw ingezet worden doormiddel van een combinatie met open warmtepompen. Het CapWa project is voor de papier- en kartonindustrie interessant omdat het gericht is op de ontwikkeling van membraantechnologie waarmee waterdamp kan worden afgescheiden uit rookgassen en drogeruitlaatlucht. Hierdoor wordt het mogelijk afgassen te scheiden in twee (her)bruikbare stromen. De warme droge lucht is mogelijk weer te gebruiken als drooglucht en de afgescheiden waterdamp kan worden ingezet als ketel voedingswater en/of proceswater, of zelfs direct als lagedrukstoom na recompressie. Dit kan een aanzienlijke efficiencyverbetering en kostenbesparing opleveren. CapWa, of voluit: ‘Capture of evaporated Water with novel membranes’, is een internationaal project met 14 partners onder leiding van KEMA. Het doel van CapWa is om waterdamp uit effluent rookgas te halen met behulp van een membraan. Het membraan is in staat waterdamp van lucht te scheiden. Het hierbij verkregen water is van demiwaterkwaliteit en kan dienen als basis voor drinkwater in landen waar dat schaars is. Het Kenniscentrum gaat hiermee nog een stap verder en bekijkt of de afgescheiden damp rechtstreeks kan worden opgewerkt tot stoom voor gebruik in de droger. De potentiële impact hiervan bedraagt in orde van grootte 10-30% van het totale stoomverbruik in de droogpartijen. Het huidige project is een industrieel opschalingtraject dat volgt op eerdere ontwikkeling- en onderzoeksfases van het CapWa membraan. De doelstelling van het driejarig project is om het concept te testen onder industriële omstandigheden en dit te ontwikkelen tot een toepasbaar product. Bij Sappi Nijmegen is er getest met een proefopstelling van het CapWa membraan op de uitlaatlucht van de droogpartij. Vooralsnog zijn deze testen gericht op de functionaliteit ‘afscheiden van zo zuiver mogelijke waterdamp’.

Het CapWa membraan Pagina 6 van 12 Publicatiedatum 27-02-2013

Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding Hot Paper: Verhoogde procestemperaturen Met het Hot Paper concept is een vermindering van het specifieke energiegebruik in de droogpartij van het papierproductieproces met 15-20% mogelijk, door middel van een significante proceswatertemperatuurverhoging met inzet van restwarmte. Het besparen van energie bij een hogere proceswatertemperatuur werkt doordat het proceswater dan een lagere viscositeit heeft. Dit resulteert in betere ontwatering waardoor er een hoger drogestofpercentage is na de perspartij. Hierdoor hoeft er in de droogpartij minder water verdampt te worden, wat weer resulteert in een vermindering van het energiegebruik. De papier- en kartonindustrie beschikt over een grote hoeveelheid restwarmte waarvan een groot deel nog niet nuttig wordt gebruikt vanwege de relatief lage temperatuur. De inzet van deze restwarmte ten behoeve van proceswaterverwarming zou een nuttige toepassing van deze energiebron kunnen zijn, die bijdraagt aan een verlaging van het stoomverbruik in de droogpartij. Een significante proceswatertemperatuurverhoging is onder meer al gerealiseerd bij Huhtamaki in Franeker. Hoewel is aangetoond dat een verhoging van de proceswatertemperatuur energie kan besparen, is het nog niet eenduidig of de inzet van restwarmte voor deze toepassing de allerbeste is. Wanneer de kwaliteit van restwarmte verhoogd kan worden, door bijvoorbeeld de inzet van warmtepompen, ontstaan wellicht nieuwe toepassingsmogelijkheden met een beter energiebesparingspotentieel. Het identificeren van alternatieve restwarmtetoepassingen binnen de papier- en kartonindustrie wordt in diverse andere projecten gedaan. Als men kiest voor het generiek opwarmen van zeefwater boven de 55°C à 60°C is het overkappen van de zeefpartij een noodzakelijke ingreep om warmteverlies via ‘spontane’ verdamping tegen te gaan. De stoombesparing vertaalt zich bij een papierfabriek met jaarlijkse productie van 130.000 ton tot een kostenbesparing van 0,6 tot 1,2 miljoen euro (uitgaande van 12 euro per GJ gas). De geschatte terugverdientijd is 2,2 tot 4,3 jaar.


Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding Warmtewiel Het warmtewiel is een machine die vochtige lucht opwerkt naar warme droge lucht. De verdampingswarmte (latente warmte) die in de vochtige lucht aanwezig is, wordt in de machine teruggewonnen en komt als oververhitte stoom ter beschikking (140°C, 1 atm.). Het concept is gepatenteerd en is uniek wat betreft de mogelijkheid om relatief laagwaardige latente warmte op te waarderen naar een industrieel interessant temperatuurniveau. Het hart van de unit wordt gevormd door een poreuze rotor, het ‘warmtewiel’, waar doorheen de vochtige drooglucht uit de droogkap wordt gevoerd. Het warmtewiel kan in de papierindustrie worden ingezet om de verdampingswarmte die aanwezig is in de vochtige lucht in de droogkap terug te winnen als licht oververhitte atmosferische stoom. Met een nageschakelde stoomcompressor kan de stoom vervolgens op druk worden gebracht. Toepassing van deze stoom elders in de fabriek resulteert in een aanzienlijke energiebesparing. Het prototype van het warmtewiel heeft bij Smurfit Kappa Roermond Papier gedraaid op de vochtige droogkaplucht van PM2, waarbij praktische kennis en experimentele data zijn verkregen.

Het warmtewiel


Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding Project Hyacint: Hoge temperatuur warmtepomp Ruim een derde van het totaal energiegebruik in het droogproces gaat via de schoorsteen naar buiten in de vorm van warme lucht en waterdamp. Met warmtepompen kan warmte van een laag naar een hoger temperatuurniveau worden opgekrikt. Restwarmte die niet via warmt uitwisseling nuttig kan worden ingezet in een proces, bijvoorbeeld omdat het proces alleen warmte op hoog temperatuurniveau nodig heeft, kan dus met behulp van warmtepompen worden opgewaardeerd zodat ze wel bruikbaar is. Hyacint richt zich op de ontwikkeling van een nieuw type warmtepomp waarmee restwarmte met meer dan 150 °C kan worden opgewaardeerd. Hiermee zou de warmte in de drogeruitlaatgassen kunnen worden ingezet voor het droogproces zelf. Momenteel zijn er twee hoofdklassen warmtepompen commercieel beschikbaar met een relatief beperkte toepasbaarheid in de papier- en kartonindustrie. De open typen, thermische of mechanische recompressie warmtepompen kunnen overweg met lage ingangstemperaturen (van bv. 70°C) en waardeert deze met een compressor op tot maximaal 120°C. De gesloten typen warmtepompen werken als een koelmachine, maar dan andersom. Hierin wordt met een warmte overdragend medium gewerkt dat verdampt bij lage temperatuur en condenseert bij een hogere. Deze technologie kan warmte op een veel hoger temperatuurniveau leveren, maar is pas toepasbaar vanaf een restwarmtetemperatuur van ongeveer 100 °C. Beide typen hebben een zeer beperkte ‘temperatuut-lift’. De hybride type warmtepomp, die binnen het Hyacint project wordt ontwikkeld, combineert de twee eerder genoemde warmtepomptechnieken tot een gesloten type met recompressie in het circuit van het warmteoverdragend medium. Hierdoor wordt het mogelijk om restwarmte van een laag niveau (bv. restwarmte uit de schoorsteen van de droogpartij van ongeveer 70°C) naar een hoog niveau van boven de 150°C te brengen, waarmee herinzet van deze restwarmte als warmte in de droogpartij binnen bereik komt. De hybride warmtepomp is in een vroeg stadium van ontwikkeling. Het werkingsprincipe wordt op dit moment getest in een proefopstelling op laboratoriumschaal bij ECN. Afhankelijk van de resultaten van deze installatie kan worden opgeschaald naar pilotschaal en uiteindelijk naar een geschikte schaal voor commercieel gebruik. Dit traject zal naar verwachting 5-10 jaar duren. Een eerste inschatting van de kosten/baten van de hybride warmtepomp heeft uitgewezen dat de techniek met name op grote schaal economisch rendabel kan zijn.

Labopstelling voor Hyacint


Haalbaarheidsstudie Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding Mechanische damprecompressie Het principe achter de Mechanische of Thermische Damprecompressie (MDR of TDR) is een open warmtepompsysteem. Er wordt gebruik gemaakt van een compressor ofwel aandrijfstoom, om waterdamp op te werken naar een hogere druk en temperatuur, waarna deze als stoom weer inzetbaar is in het proces. De techniek wordt breed toegepast in andere procesindustrieën. MDR wordt typisch gebruikt in droogprocessen van bijvoorbeeld wei en slib. MDR wordt hierbij in een kringproces geplaatst, de vrijkomende waterdamp uit het product wordt opgewerkt tot lagedruk stoom, waarmee vervolgens weer het product kan worden gedroogd. TDR wordt veel toegepast in meertrapsindamp- of droogprocessen. Met de verse stoom die in deze processen wordt gebruikt kan met een TDR flashstoom of procesdamp worden gecomprimeerd en verhit, zodat de restwarmte in vrijkomende dampstromen wordt opgewaardeerd en inzetbaar wordt op hoger temperatuurniveau. Beide typen warmtepompen zijn in principe toepasbaar in de papier- en kartonindustrie. Omdat de papier- en kartonindustrie kampt met een overschot aan stroomproductie uit haar WKK installaties, zou met de name toepassing van MDR interessant kunnen zijn. Het gaat hier om een bestaande techniek waarvoor een toepassing wordt gezocht binnen de papier- en kartonindustrie. Een moeilijkheid is dat damprecompressie alleen werkt met een comprimeerbare dampstroom, dat wil zeggen dat de stroom geen lucht mag bevatten. Hierdoor is de techniek niet geschikt om bijvoorbeeld vochtige lucht direct op te waarderen. MDR zou mogelijk wel toegepast kunnen worden binnen het stoom- en condensaatsysteem of in combinatie met technologie waarmee damp kan worden afgescheiden van de drooglucht, zoals membraan- of sorptietechnieken. In maart 2012 is er een bredere workshop gehouden rond het thema warmtepompen. Als basis dienden hiervoor vier bedrijfscases. Met het project en de workshop is de praktische toepasbaarheid van MDR inzichtelijk gemaakt en is er daarnaast ook inzicht verkregen in de typische warmtehuishouding van de sector. Uit het project blijkt dat MDR nauwelijks algemeen inzetbaar is voor de papier- en kartonindustrie. Wel is de meerwaarde van deze technieken aangetoond in combinatie met dampafscheidingstechnologieën. In de projecten CapWa en WHITE wordt hier een vervolg aan gegeven.

MDR toegepast op indampprocessen



Thermo Accoustic Power generation In de Nederlandse (proces)industrie komen grote hoeveelheden restwarmte beschikbaar die veelal nutteloos aan de omgeving worden afgevoerd. Dit is jaarlijks 500 PJ aan restwarmte, waarvan 100 PJ aan warmte boven de 50 °C. Ook in de papier- en kartonindustrie gaat veel energie als restwarmte via de schoorsteen verloren. De Thermo Acoustic Power generator (TAP) biedt een mogelijkheid om warmte terug te winnen en om te zetten in duurzame elektriciteit. Eén apparaat kan op jaarbasis enkele honderden gezinnen van elektriciteit voorzien. Thermo-akoestische energieomzetting is de algemene benaming voor thermodynamische cycli waarin warmte wordt omgezet in akoestische energie en omgekeerd. Karakteristiek voor dergelijke systemen is het ontbreken van mechanisch bewegende delen. De functie van zuigers en verdringers is overgenomen door compressie en verplaatsing van gas in een krachtige akoestische golf. De techniek combineert dus het Stirlingproces met de lopende golftheorie. De TAP werkt al vanaf een temperatuur van 80°C. Om een redelijk energetisch en vooral economisch rendement te kunnen behalen, wordt ingezet op industriële restwarmtestromen vanaf circa 150°C. Een demonstratiemodel van TAP is geplaatst op de afgassen van de WKC bij de massiefkartonfabriek van Smurfit Kappa Solid Board in Nieuweschans. Op basis hiervan is een berekening gemaakt voor de kosten baten. Op commerciële schaal wordt gekeken naar een installatie met een thermische capaciteit van 1 MW en een elektrisch vermogen van 100 kW voor een prijs van 300k €. Eind 2011 valt de beslissing of de Thermo Acoustic Power generator (TAP) op grote schaal in productie wordt genomen. Waarbij het niet de vraag is of het apparaat werkt, maar of het op een rendabele manier kan worden vermarkt.

De Thermo Acoustic Power generator



6.

Literatuurlijst

1. Rapportage SED implementatie pilot Papierfabriek Doetinchem; C. Maters, L. De Vries, G. Teunissen, M. Van Geelen; 10 juli 2013; Ref. nmr.: P015611353, Dossiercode: 0156-11-0362-008; 2. CapWa, Capture of Evaporated water by novel membranes D5.3 Water and energy saving in the paper and board industries; L. de Vries, M. Ligthart; juli 2012 D4.5 CapWa in the Paper and Board industries – pilot tests at Sappi Nijmegen; L. de Vries; Augustus 2013 3. TNO-rapport Haalbaarheid van de TNO/EET-sorptie-unit, Smurfit Kappa Roermond Papier; Mei 2012, Juliën Voogt, Paul Bussmann 4. Eindrapportage Hot Paper: HOT PAPER, Verhogen van de energie-efficiënte door verdubbeling van de procestemperatuur; Haalbaarheidsstudie EOS KTO; Penvoerder: Bumaga BV 5. HYACINT, Hybride Adsorptie Compressie voor Industriële Toepassingen, M. van der Pal, Juni 2013, ECN-X--13-024 6. Mechanische DampRecompressie, Technische haalbaarheid mechanische damprecompressie in de papierindustrie; J. Laurijssen, M. Ligthart, L. de Vries; Ir. A.M.G. Pennartz, T.J.J. van Beek; 1 oktober 2012; Ref. nmr. P015610298 Dossiercode: 0156-10-03-62-007 7. Thermo Acoustic Power (TAP), conversie industriële restwarmte naar elektriciteit, eindrapportage fase 2 (SBIR09313); C.M. de Blok, R.H. Huisman, drs.ing. W.P.C. Mans, Veessen, 9 december 2011


Haalbaarheidsstudie. Alternatieve droogtechnieken & warmtehuishouding. P2 Energie Neutraal Papier. Auteur(s): L. de Vries,

Recommend Documents