Sulzer Pumps Finland Oy:n Kotkan Karhulan valimo käyttää tuotannossaan useita uuneja, jotka muodostavat ison osan tehtaan energiankulutuksesta.

Teollisuusuunien toiminnan ja käytön kokonaisvaltainen tarkastelu mittauksiin perustuen on kehittämisen lähtökohta. Yksittäiselle tehtaalle tehostamistoimet voivat tuoda useiden kymmenien tuhansien eurojen säästöt vuodessa.

Teollisuusuunien tehtävä on kuumentaa, sulattaa, kypsyttää, kuivata tai kovettaa raaka-aineita ja tuotteita. Osaa uuneista käytetään yli 1 500 celsiusasteen lämpötilassa, mikä kuluttaa hyvin paljon energiaa. Keskikokoisen 1 000 celsiusasteessa käytettävän uunin energiakulut voivat nousta reilusti yli 100 000 euroon vuodessa.

Uunit ovat joko jatkuvatoimisia tai panostoimisia uuneja ja ne voidaan jaotella myös niiden hyödyntämien energiamuotojen perusteella seuraavasti: polttoainetta käyttävät, sähkölämmitteiset ja höyryllä lämmitettävät uunit sekä lisäksi edellisten yhdistelmät.

Kuva 1. Uunin energiatehokkuuden mittaaminen, painopistealueet.

Kuva 2. Teollisuusuunin tyypillinen tase (sisään menevät ja ulos lähtevät materiaalit/energiat).

Mittauksilla käsiksi merkittävimpiin kulutuskohteisiin

Lähtökohtana uunin energiatehokkuustarkastelussa on uunin energiatase ja sen asettamat vaatimukset mittauksille. Näiden lisäksi muun muassa palamisen hyötysuhdetta, lopputuotteen laatuvaatimuksia sekä uunin säätöjen toimivuutta kuvaavat mittaukset ja havainnot ovat tärkeitä. Tyypillisesti teollisuusuuneissa on jo valmiina kiinteitä mittauksia, joita voidaan hyödyntää tarkasteltaessa energiatehokkuuden tilaa. Kuva 1 esittää teollisuusuunien energiatehokkuusmittausten painopistealueet.

Uunin energiataseen määrittäminen onnistuu tyypillisesti hyödyntämällä uunin kiinteitä mittauksia sekä täydentäviä käsimittauksia. Tärkeintä on päästä käsiksi merkittävimpiin energiavirtoihin. Näiden määrittäminen vaatii yleensä kuvassa 2 esitettyjen materiaalivirtojen/tehojen selvittämistä.

Edellä mainittujen materiaalivirtojen muuttaminen energiavirraksi vaatii muun muassa lämpötilojen sekä ilmankosteuden mittauksia. Lisäksi tulee tuntea uunissa käsiteltävän materiaalin termodynaamiset ominaisuudet.

Savukaasumittauksia käytetään päästöjen ja palamisen puhtauden analysointiin. Teollisuusuunien tapauksessa tyypillisimmät hyödynnettävät mittaussuureet ovat jäännöshappi- ja hiilidioksidimäärät, joiden avulla voidaan arvioida, miten lähellä ollaan optimaalista paloilma-polttoainesuhdetta. Mittauskohta valitaan usein mittasondin kestävyyden/vaatimusten mukaisesti, mutta mielellään mahdollisimman läheltä uunin palotilaa tai -kammiota vuotovaikutusten välttämiseksi.

Sähkötehon mittaukset ovat tärkeitä etenkin sähkölämmitteisissä uuneissa. Sähköisiä lisälämmittimiä, niin kutsuttuja boostereita, saatetaan hyödyntää myös kaasu-uuneissa. Erilaiset ilmapuhaltimet esimerkiksi jäähdytykseen voivat olla merkittäviä sähkön käyttäjiä, jolloin niiden energiankulutus on tärkeä ottaa huomioon.

Tyypillisesti teollisuusuuneissa on jo valmiina mittauksia, joita voidaan hyödyntää myös energiatehokkuustarkastelussa. Näitä ovat muun muassa uunin lämpötila, kappaleen lämpötila, uunin paine, palamisilman ja savukaasun lämpötilat sekä polttoaine-, höyry- ja palamisilmavirtaukset. Kiinteitä mittauksia hyödynnettäessä on syytä arvioida niiden luotettavuutta ja tarvittaessa tehdä tarkistusmittauksia, mikäli se on turvallisesti toteutettavissa.

Uunin käyttöparametrit määräytyvät tuotteen laatuvaatimusten mukaan ja ne on hyvä tunnistaa jo kenttämittausten aikana. Tuotteen valmistus- tai pitoajat tulee tiedostaa sekä kiinnittää huomiota myös uunin täyttöasteeseen, -aikaan ja rakenteeseen. Tämän tiedon keräämisessä uunin käyttöhenkilöstön haastattelut ovat tärkeässä roolissa.

Kuva 3. Esimerkki uunin lämpötilan ja tuotteen lämpötilan kehittymisestä.

Säästöpotentiaali esiin mittaustulosten analysoinnilla

Mittaustulosten analysointi keskittyy taseen hahmottamiseen sekä käytön tehokkuuden arvioimiseen. Analysointia helpottaa mittausten työstäminen tasekuviksi, kuten sankey-diagrammi, sekä tuotantoparametrien ja energiankulutuksen riippuvuussuhteiden analysointi. Uunin täyttöaikojen ja pitoaikojen esittäminen vuositasolla ovat hyödyllistä tietoa. Myös tuotteen lämpötilatiedon vertaaminen uunin lämpötilaan kuvaa hyvin lämmitysprosessin tehokkuutta (Kuva 3).

Uunin energiatehokkuudelle kannattaa muodostaa myös vertailtava tunnusluku, joka tyypillisesti on kokonaisenergiamäärä tuotettua painoyksikköä kohden, esimerkiksi kWh/t. Ominaiskulutuslukuja vertailtaessa eri uunityppien välillä tulee ottaa huomioon, että uunien rakenteelliset erot vaikuttavat merkittävästi kulutusarvoihin. Vertailua tuleekin tehdä ensisijaisesti samantyyppisten uunien kesken.

Kuva 4. Periaatekuva teollisuusuunin energiataseesta (U.S. Department of Energy: Energy Efficiency and Renewable Energy).

Toimenpiteet uunien energiankulutuksen vähentämiseksi

Teollisuusuunin tyypillinen energiatase on esitetty kuvassa 4. Sen avulla voidaan uunien energiatehokkuustoimet jakaa seuraavasti:

• palamisen tai lämmityksen hyötysuhteen parantaminen
• lämpövuotojen pienentäminen
• palamis- tai poistokaasun lämpösisällön hyödyntäminen
• muut energiatehokkuustoimenpiteet

Kaasukäyttöisissä uuneissa palamisen hyötysuhteeseen voidaan vaikuttaa eri poltintyypeillä sekä polttimien suuntauksen, palamisnopeuden ja ilmakaasusuhteen säädöillä. Myös perinteisen polttotekniikan korvaaminen happipolttomenetelmillä parantaa palamisen hyötysuhdetta, koska tällöin vältytään ilman sisältämän typen lämmittämiseltä. Helpoin keino ylläpitää palamisen korkeaa hyötysuhdetta on tarkistaa säännöllisin väliajoin polttimien kunto ja säätöjen paikkansapitävyys.

Uunien lämpövuotoja voidaan vähentää uunin sisä- ja/tai ulkopinnan eristyksen lisäämisellä tai pinnoittamisella. Huolella suunniteltu lisäeristys tai pinnoitus vaikuttaa positiivisesti uunin lämpötilan tasaisuuteen ja pitolämpötilan saavuttamiseen. Uunin luukun eristäminen voi myös olla merkittävä yksittäinen toimenpide energiatehokkuuden kannalta. Luukut ovat tyypillisesti rakenteeltaan muuta vuorausta ohuempia.

Palamis- tai poistokaasun lämpöä kannattaa ottaa talteen ja hyödyntää esimerkiksi palamisilman, raaka-aineen, lämmitettävien tilojen tai prosessivesien (esi)lämmityksessä. Korkean lämpö- tilan prosesseissa voi olla kannattavaa hyödyntää myös ORC-tekniikkaa sähköntuotantoon.

Panostoimisilla uuneilla prosessin tarkempi seuranta antaa työkaluja uunin käyttöajan tehostamiseen. Prosessiaikaan voidaan vaikuttaa myös tuotannon järjestelyillä, jolloin seuraavat asiat ovat tärkeitä:

•   Uunissa olevien kappaleiden yhtäläiset käsittelyajat
•   Selvittää kuinka pitkään uuni kannattaa pitää peruslämmöllä tuotannon välisinä aikoina
•   Selvittää mikä on pienin kuormakoko, joka kannattaa valmistaa jatkuvatoimisesti.

Uuniin ei pidä laittaa samaan aikaan ohuita ja paksuja tuotteita tai pyöreitä ja särmikkäitä tuotteita, sillä niiden käsittelyajat eroavat toisistaan.

Meesauuni pyörii suomalaisella sellutehtaalla.

Edellä kuvatuilla mittaus- ja analyysimenetelmillä on tarkasteltu useita erilaisia teollisuusuuneja ja poikkeuksetta joka kohteesta on löydetty säästöpotentiaalia. Vuoden 2015 alussa voimaan tullut energiatehokkuuslaki vaatii suurilta yrityksiltä pakollisen energiakatselmuksen, johon tulee sisällyttää myös tarkempia kohdekatselmuksia. Uunien energiatarkastelu on erinomainen vaihtoehto vaadituille kohdekatselmuksille.

Uunin tarkastelun yhteydessä on olennaista tutkia uunin toimintaympäristöä, jotta sen lämpövirrat saadaan hyödynnettyä nykyistä tehokkaammin. Energiatehokkuuden kannalta on tärkeää kiinnittää huomiota myös kiinteän mittaamisen kehittämiseen ja henkilöstön koulutukseen.

Jussi Jääskeläinen, Motiva Services Oy, jussi.jaaskelainen@motiva.fi

Teemu Turunen, Motiva Services Oy, teemu.turunen@motiva.fi

Lauri Suomalainen, Motiva Oy, lauri.suomalainen@motiva.fi