DI Sami Vapalahti Rodbay Oy:stä esittää kaasulämmitteisen uunin energiatehokkuuden optimointitutkimusta Sultzerin valimossa Karhulassa vuonna 2013. Poltinsäätöjen lisäksi käsitellään myös uuniseinien pinnoituksen vaikutusta energiakulutukseen.

1. 51Materia 1/2014
Tiede &
Tekniikka
DI Sami Vapalahti, Rodbay Oy
Poltinratkaisujen energiatehokkuus –
Vanhassakin saattaa piillä hyvä vara
Sivut 52-55
KuvaBo-EricForstén

2. 52 Materia 1/2014 Tiede & Tekniikka
TIEDE & TEKNIIKKA DI Sami Vapalahti, Rodbay Oy
Poltinlämmitteiset prosessit muodostavat monimutkaisen,
toisistaan riippuvien tekijöiden kokonaisuuden, jonka
kaikkia salaisuuksia ei tähän päivään mennessä ole kyetty
ratkaisemaan. Uusia teknologioita tulee lisää ja vanhojen
teknologioiden kiinnostavuus kasvaa energian hinnan
kohotessa ja viranomaisvaatimusten tiukentuessa. Valitetta-
van usein uusi ja ihmeellinen vie kuitenkin huomion perus-
asioista. Ovatko suuret investoinnit sittenkään tarpeellisia
huomattavien säästöjen saavuttamiseen?
Sulzerin, Ovako Imatran, Outokummun, Rautaruukin
ja Tekniikan edistämissäätiön rahoittamassa hankkeessa
Sulzerin valimon vanhalla poltinlämmitteisellä lämpökä-
sittelyuunilla saavutettiin 24 % energian säästö, alle 1 %
jäännöshappitaso ja samalla tuotantoaikaa saatiin lisää yli
500 tuntia vuodessa. Suurin osa hankkeessa saavutetusta
kokonaishyödystä, energiansäästö 18 % ja aikasäästö 16 %,
on peräisin uunin mittauksista ja niiden perusteella tehdys-
tä perusteellisesta huollosta ja säätämisestä. Tämä osoittaa,
että uunin toiminta tai ulkonäkö ei välttämättä kerro uunin
energiatehokkuuden todellista tilaa ja uuneissa saattaa
piillä mahdollisuuksia suuriinkin energian säästöihin
optimoimalla olemassa olevaa prosessia. Omia prosesseja
arvioidessa on muistettava, että valmistajat eivät toimita
optimoituja vaan luotettavia ja varmatoimisia prosesseja
eivätkä siten ole välttämättä paras palveluntarjoaja arvioi-
maan tai toimittamaan prosessioptimointia.
Energiatehokkuus lähtee mittaamisesta
Vähimmäisvaatimuksena mittauksille on, että jokainen suu-
rempi energiaa kuluttava prosessi tulee varustaa itsenäi-
sellä energian mittauksella, jossa on sähköinen tallennus.
Mitattu kulutus on kyettävä sitomaan tuotannon määrään.
Tehtävä ei aina ole helppo, mutta se on ehdoton vaatimus
todellisen energiatehokkuuden seuraamiselle ja erityisesti
tehtävien toimenpiteiden vaikutusten arvioimiselle. Näillä
mittauksilla voidaan seurata pitkällä aikavälillä prosessin
kuntoa ja tehtyjen toimenpiteiden vaikutuksia. Ongelmana
on, että pienten ongelmien havaitseminen on hidasta tai
mahdotonta. Tulokset eivät myöskään kerro mistä ongel-
mat mahdollisesti johtuvat. Tarkemmin energiatehokkuutta
voidaan seurata toissijaisilla mittauksilla kuten uunin
paine, savukaasuanalyysi ja savukaasun lämpötila, jotka
kertovat nopeammin ja tarkemmin energiatehokkuuteen
vaikuttavista muutoksista.
Poltinprosessin optimointi
Esimerkiksi EU, Yhdysvallat ja Intia ovat julkaisseet uu-
neihin liittyviä parhaiden ratkaisujen ohjekirjoja /1, 2, 3/.
Tärkeimmiksi tekijöiksi ratkaisujen energiatehokkuudessa
nimetään paloilman esilämmitys (15-30 %), savukaasussa
olevan jäännöshapen määrä (5-25 %) ja happilisäys (5-25
%) /1/. Tarkemmin jäännöshapen, ilman esilämmityksen ja
happilisäyksen teoreettisia vaikutuksia voi arvioida lähteis-
tä /1, 4/ löytyvistä käytettävissä olevan energian taulukois-
ta. Näitä ei voida kuitenkaan erottaa omina tekijöinään, sil-
lä ne vaikuttavat automaattisesti mm. uunin sisällä tapahtu-
vaan lämmönsiirtoon ja uunin paineeseen joiden vaikutus
on arvioiden mukaan 5-10 % säästöistä /1/. Poltinprosessin
optimointi voidaan kiteyttää lyhyesti seuraaviin kohtiin:
1. Polttimien ja poltinjärjestelmän on oltava huollettu ja
toimittava moitteetta.
2. Vuorauksen on oltava kunnossa ja prosessitilan tiiveys
on varmistettava.
3. Savukaasua on kyettävä ohjaamaan prosessitilan
paineen hallitsemiseksi.
4. Energian kulutus sekä savukaasun ja uunin lämpötilat
on kyettävä mittaamaan ja kirjaamaan sähköisesti
mieluiten yhteen järjestelmään.
5. Savukaasuanalyysin perusteella polttimet säädetään
pienimmälle mahdolliselle jäännöshapen määrälle
ilman, että savukaasun häkäpitoisuus nousee. Säädössä
on otettava huomioon lämpötilan vaikutus palamiseen
sekä säätyvien polttimien ollessa kyseessä on otettava
huomioon tehon säädön vaikutus polttosuhteeseen.
6. Uunin lämmityshistorian ja lämmityskuorman on
oltava vertailukelpoisia. Uunin rakenteisiin sitoutu-
van energian osuus eli ero kylmästä ja kuumasta
lähtevien käsittelyiden välillä on villavuoratussa
panosuunissa 25-30 %, massalla tai tiilillä vuoratussa
uunissa se saattaa olla paljonkin suurempi.
7. Uunin lämpötilan mittaus on luotettavin, kun mitataan
kappaleen sisälämpötilaa uunin lämpötilan lisäksi.
Poltinratkaisujen
energiatehokkuus
Vanhassakin saattaa piillä
hyvä vara

3. 53

Materia 1/2014
Jos halutaan vertailla erilaisten teknologioiden todellisia
vaikutuksia vanhaan järjestelmään, tulisi yllä olevat kohdat
toteuttaa vanhaan järjestelmään. Lukuisat tutkimukset ovat
määritelleet mm. happilisäyksen ja ilman esilämmityksen
vaikutuksia energiatehokkuuteen ottamatta huomioon van-
han järjestelmän mahdollisesti epäedullista lähtötilannetta.
Tämä tekee investointien takaisinmaksuajan laskemisen
näiden tutkimusten perusteella hankalaksi. Tässä projektis-
sa se olisi johtanut väitteeseen, jonka mukaan uunin pinnoi-
tuksella saatiin aikaan 24 % energiansäästö, kun todellinen,
pelkän pinnoituksen mahdollistama säästö oli noin 7 %.
Uunioptimointi – Case Sulzer
Hankkeen tarkoituksena oli selvittää matalaemissiivisen
eli korkeaheijasteisen uunipinnoituksen vaikutus sekä
kappaleiden että uunin lämpenemiseen ja uunin poltinten
toimintaan. Koeuuniksi valittiin kuvassa 1 oleva Wellman
Incandescentin valmistama, mitoiltaan noin 1,5x2,4x1,5 m
oleva uuni. Lämmitys tapahtuu kahdella säätyvällä 180 kW
suoralla kaasupolttimella. Kaikki mittaukset suoritettiin
samalla käsittelyllä eli lämpötilan mahdollisimman nopea
nosto 1100°C lämpötilaan, jossa kuormaa pidettiin 3 tuntia.
Pinnoitteen vaikutuksen määrittäminen vaati, että vanha
uuni oli ensin optimoitava olemassa olevalla laitteistolla
niin hyvään kuntoon kuin oli mahdollista. Optimoinnissa
uunin vuoraus korjattiin, luukku tiivistettiin, uunin painet-
ta kasvatettiin ja uunin poltinjärjestelmä käytiin läpi. Poltin-
järjestelmässä havaittiin säätöongelma, jonka seurauksena
täydellä teholla uunin jäännöshappi oli korkea, 5,5 %, ja
jäännöshapen määrä poltinohjauksen vuoksi optimoitavis-
sa ainoastaan täydellä teholla. Täyden tehon jäännöshappi
saatiin pudotetuksi 1,75 % tasolle, mutta jäännöshapen
määrän kasvua poltintehon alentuessa ei saatu poistetuksi.
Kaiken säätämisen perustana oli vaatimus, että häkäpitoi-
suus ei missään vaiheessa saa ylittää 15 ppm tasoa. Tulos
on erinomainen, kun otetaan huomioon, että normaalisti
uunien jäännöshappi on välillä 3‒5 %.
Kokeiden aikana uunissa oli n. 27 kg painoisen näytteen
lisäksi kaksi kappaletta normaalisti tuotannossa käytettäviä
uuniarinoita, joiden paino oli noin 1970 kg. Näin kokeiden
kuorma saatiin vastaamaan keskivertoa uunissa käsiteltä-
vää panosta 2000 kg. Kokeissa mitattiin kappaleen, uunin ja
savukaasun lämpötilaa sekä maakaasun virtausta. Vertai-
lukelpoisuuden parantamiseksi uunin annettiin jäähtyä
ainakin 2 päivää luukku auki ennen testilämmitystä, joka
oli koelämmitys ilman mittakappaleita. Testilämmityksen
jälkeen uuni oli kaksi päivää luukku auki ennen varsinaista
koetta. Savukaasuanalyysi otettiin hetkellisin mittauksin
kokeen aikana. Uunioptimoinnin tulokset pinnoittamatto-
mana ja pinnoitettuna verrattuna optimointia edeltäneeseen
tuotantoon on esitetty kuvassa 2.
Mittausten osoittamien ongelmien korjaamisella ja
optimoinnilla saatiin siis aikaan noin 18 % energiansäästö
ja 16 % aikasäästö uunilla, jossa ei päällisin puolin ollut
mitään vikaa.
Pinnoitus
Uuni pinnoitettiin ja sen jälkeen tehtiin uunin kuivatus- ja
testilämmitys. Tulokset osoittivat, että pinnoitus ei yksin
vaikuta merkitsevästi uunin energian kulutukseen. Tämän
jälkeen uunin polttimia säädettiin uudelleen ja kuvassa
2 on esitetty toimenpiteiden vaikutus aikaan ja energian
kulutukseen. Pinnoituksen jälkeisellä optimoinnilla saavu-
tettiin n. 7 % energiansäästö ja 11 % aikasäästö pinnoitusta
edeltäneeseen optimoituun tilanteeseen. Kokonaissäästö
alkutilanteeseen oli noin 24 % energiassa ja 25% ajassa.
Lisäsäästö johtuu siitä, että uunin jäännöshappi kyettiin
pinnoituksen jälkeen laskemaan täydellä teholla 0,85 % ta-
Kuva 1. Kokeissa käytetty lämpökäsittelyuuni.
Figure 1. The heat treatment furnace used in experiments.
Kuva 2. Pinnoite-
tun ja pinnoitta-
mattoman uunin
optimoinnin vaiku-
tus energian kulu-
tukseen verrattuna
lähtötilanteeseen.
Figure 2. Com-
parison of furnace
performance be-
fore project, after
optimization, and
after optimization
with coating.
Tiede & Tekniikka