Ferrokromin lämmöntalteenoton energiansäästöpotentiaali
Teollisuuden prosesseissa syntyy ylijäämälämpöä. Ylijäämälämpö tarkoittaa esim. sähkölaitteissa sivutuotteena syntyvää lämpöä, joka jää hyödyntämättä ja poistuu poistoilman mukana. Ylijäämälämpö on merkittävää resurssien tuhlausta ja aiheuttaa turhaan päästöjä. Outokumpu Chrome Oy tuottaa ferrokromia, jota käytetään ruostumattoman teräksen valmistuksessa. Sula ferrokromi kaadetaan valuojiin jäähtymään ja siitä jatkojalostukseen.
Motiva teetti vuonna 2019 esiselvityksen ylijäämälämmön potentiaalista teollisuudessa. EU-maiden ylijäämälämmön määrä teollisuudessa on noin 300 TWh/a. Suomessa teollisuudessa ylijäämälämpöä jää hyödyntämättä noin 6 TWh/a. Energian säästäminen on yhtiölle tärkeää nykyaikana, koska energian hinnat ovat nousseet ja vihreät arvot ovat markkinoinnissa avainasemassa. Vähäpäästöisiä tuotteita saadaan myytyä enemmän ympäristötietoisille asiakkaille. Ylijäämälämpöä syntyy jokaisessa teollisuuden prosessissa. Ylijäämälämpöä syntyy jäähdytysvesissä, poistoilmassa ja sähkökoneissa. Ylijäämälämmön vähentämiseksi ja hyödyntämiseksi kehitetään erilaisia lämmöntalteenottojärjestelmiä. Tällaisia järjestelmiä ei välttämättä ole markkinoilla valmiina myynnissä, vaan laitteisto tulee suunnitella juuri kyseiselle prosessille.
Sula ferrokromi sisältää merkittävän määrän energiaa (~500 kWh/t), joka tällä hetkellä säteilee ilmaan, eikä sitä saada hyödynnettyä. Ferrokromi on noin 1600 °C, kun se kaadetaan valuojaan. Valuojan pinta-ala on 36 m2 ja siitä ferrokromin emittoima säteilyteho noin 20 MW. (Kuva 1)
Kuva 1. Ferrokromin emittoima säteilyenergia
Ferrokromin lämmöntalteenottojärjestelmää suunniteltaessa tulee ensimmäisenä päättää energian haluttu jatkokäyttö. Tämä antaa tiettyjä raameja suunnittelun lähtökohdille, halutaanko maksimoida talteen otetun energian määrä vai riittääkö pienempi energian määrä, mutta huoltovapaampi LTO-järjestelmä. LTO-järjestelmän rakennesuunnittelussa tulee ottaa huomioon prosessissa jo olevat toimintatavat, ympäristö ja sen olosuhteet. Sula ferrokromi emittoi runsaasti säteilyenergiaa, ja LTO-järjestelmän tulee ympäröidä mahdollisimman paljon sulan pinta-alaa. Tällä tavalla saadaan näkyvyyskerrointa kasvatettua, jota voidaan pitää ”geometrisena hyötysuhteena” säteilyenergian vaihdossa. Usein joudutaan kuitenkin tekemään kompromisseja rakenteen käytettävyyden ja huollettavuuden vuoksi. Kuvasta 2 voidaan nähdä, miten etäisyyden kasvu vaikuttaa negatiivisesti näkyvyyskertoimeen.
Kuva 2. Etäisyyden vaikutus näkyvyyskertoimeen.
Ferrokromin potentiaaliseen lämmön talteenottoon vaikuttaa siis eniten valuojan pinta-ala ja näkyvyyskerroin LTO-järjestelmään, eli talteen ottavan elementin pinta-ala. Valuojan pinta-alan kasvattaminen nopeuttaa ferrokromin jäähtymistä, mikä voi lyhentää lämmöntalteenoton kestoa. LTO-järjestelmän sijoittaminen jatkuvan valun piiriin maksimoidsi saatavan lämpöenergian määrän.
Opinnäytetyössä vertailtiin kahta erilaista konseptia toisiinsa. Ensimmäisessä konseptissa pyritään maksimoimaan talteen otettavan lämpöenergian määrä käyttämällä liikkuvaa (laskettavaa) elementtiä. Toisessa konseptissa kiinteä seinä kahdella elementillä pitää käyttö- ja huoltovarmuuden keskiössä. Molemmissa konsepteissa periaatteena toimii, että ferrokromin emittoima lämpösäteily osuu LTO-järjestelmässä oleviin putkistoihin ja lattarautoihin (elementtiin). Lämpöhäviöiden minimoimiseksi rakenteet on eristetty 100 mm paksulla eristevillalla.
Säteilyenergia absorboituu elementtiin, josta energia lämmönjohtumisen kautta siirtyy putkissa virtaavaan fluidiin. Fluidina käytetään lämmönsiirtoöljyä, koska sen käyttölämpötila on vettä laajempi. Konsepti 1: 8,56 MW. Konsepti 2: 4,62 MW. Säteilyenergian osuus on yli 97 %.
Talteen otetun energian jatkoprosessi voisi olla esim. sähkön, höyryn tai kaukolämmön tuottaminen. Talteen otetulla energialla voidaan tuottaa sähköä syöttämällä energia Organic Rankine Cycle (ORC) -järjestelmään. ORC-järjestelmällä voidaan saavuttaa jopa 35 % hyötysuhde.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että molemmissa konsepteissa on vahvuutensa. Ennen rakentamispäätöstä tulisi päättää, halutaanko painottaa käytännöllisyyttä, turvallisuutta ja vähäistä huoltoa vai maksimoida saatava energia. Käytännöllisyyden ja huoltotarpeiden minimoimiseksi kiinteän seinämän konsepti olisi taloudellisesti kannattavampi rakentaa, mutta laskettavan elementin talteenottokyky on parempi. Kummassakin tapauksessa lämmönkeräin on suunniteltava ottaen huomioon valuoja, ympäröivät rakenteet, työskentelytilat, olemassa olevat prosessit ja toimintatavat.