Wärmebedarf Zur Bewertung der Energieeffizienz der Wellpappenanlage hinsichtlich des Wärmebedarfs können folgende Kennwerte verwendet werden:
Spezifischer Brennstoffbedarf der WPA
Feststoffgehalt des Leimes
Effizienz der Wärmeüberträger (Riffelwalzen, Vorheizer, Heizplatten)
Abwärmenutzung
Isolierungsgrad der Anlage
Automatisierung der Anlage
Dampf- und Kondensatdrücke (siehe Kapitel 6.2) Spezifischer
Brennstoffbedarf Werden aus dem Fragebogen die Angaben zum prozentualen Dampfeinsatz als Grundlage für den Einsatz des Brennstoffes an der Wellpappenanlage heran-gezogen, ergeben sich für die verschiedenen Verbrauchergruppen folgende auf die Bruttoproduktion bezogene Kennwerte. Der spezifische Brennstoffbedarf für die Wellpappenanlage liegt in Abhängigkeit von der Produktionsmenge zwi-schen 82 und 170 kWh pro 1000 Quadratmeter Bruttoproduktionsfläche.
0 50 100 150 200
55 - 75 75 - 95 95 - 115 115 - 135 135 - 155 Produktionsmengen in [Mio m²]
spez. Brennstoffbedarf WPA in [kWh/1000 m²Brutto]
spez. Brennstoffbedarf kWh/1000m² Brutto
Abbildung 35: Spezifischer Brennstoffbedarf der WPA gruppiert in Produktionsklassen
Die Werte präsentieren den Jahresdurchschnittsverbrauch. Der Einfluss des Energiebedarfs durch das Klima ist demnach im Wert enthalten.
Jahresgang
Wärmebedarf Nachfolgende Abbildung stellt beispielhaft den Einfluss der Jahreszeit auf den Energiebedarf der Wellpappenproduktion dar.
-100
Jan. Feb. Mrz. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez.
spez. Bedarf in kWh/1000 m² Auslastung der Maschine [%]
-10
Abbildung 36: Jahresgang spez. Wärmebedarf, Beispielwerk
In den warmen Sommermonaten liegt der Gasbedarf des Beispielwerkes zwi-schen 80 und 90 kWh/1000 m². Im Vergleich dazu steigt im Januar der Wärme-bedarf auf etwa 150 kWh/1000 m². Der Großteil des zusätzlichen GasWärme-bedarfs im Winter geht in den Bereich der Hallenheizung.
Jahresgang: Ein-fluss auf die Aufwärmung des Papiers
Der Energieanteil zur Aufwärmung des Papiers ist dabei vergleichsweise ge-ring. Abbildung 37 zeigt für unterschiedliche Ausgangstemperaturen des Pa-piers den spezifischen Wärmebedarf. Die Zieltemperatur des PaPa-piers lag bei dieser Betrachtung bei 100 °C. Der klimatische Einfluss auf die Papiertempera-tur kann durch Einbindung vorhandener Abwärmequellen (z. B. Schallkabinen-abluft, Kompressorabluft) in das Rollenlager verringert werden.
0
Ausgangstemperatur des Papiers in °C
Wärmebedarf in kWh/1000m²
1000 g/m²
750 g/m²
500 g/m²
250 g/m²
Abbildung 37: Energiebedarf in Abhängigkeit von der Papiertemperatur
Theoretischer
Wärmebedarf Energie in Form von Wärme wird bei der Wellpappenproduktion zur Erwär-mung, Gelierung und Trocknung des Leims sowie zur Formung des Papiers benötigt. Darüber hinaus geht durch Strahlung und Konvektion unvermeidbar Wärme über die beheizten Flächen der Anlage verloren.
Die Aufteilung des Energiebedarfs einer Wellpappenanlage ist damit von vielen Faktoren abhängig. Wesentlichste Einflussgrößen sind Eigenschaften des Roh-papiers (Temperatur, Feuchte, Grammatur), die erzeugte Wellenart bzw. Wel-lenkombination sowie der aufgetragene Leim (Temperatur, Feststoffgehalt, Trä-germenge und Gelierungsgrad). Unter Berücksichtigung der genannten Größen ist in Abbildung 38 der theoretische Energiebedarf einer B-Welle (Decke 1: 200 g/m², Wellenstoff: 125 g/m², Decke 2: 200 g/m²) in Abhängigkeit von Auftrags-gewicht und Feststoffgehalt des Klebstoffes dargestellt.
Verluste, die durch den Prozess der Dampferzeugung sowie durch Abwärme-strahlung und Konvektion entstehen, wurden bei der theoretischen Betrachtung nicht berücksichtigt.
70 kWh/1000m²
40 kWh/1000m² 50 kWh/1000m² 60 kWh/1000m² 80 kWh/1000m²
0 5 10 15 20 25 30
15% 20% 25% 30%
Feststoffgehalt des Leimes in % Leimgewicht in gatro/m²
Abbildung 38: Theoretischer Energiebedarf für B-Welle (525 g/m² ohne Leim) Für den Fall der betrachteten B-Wellenproduktion führt die Anhebung des Fest-stoffgehaltes von 22 % auf 27 % bei einer Leimauftragsmenge von 16 g/m² zu einer theoretischen Energieeinsparung von etwa 10 kWh/1000 m². Weitere Energieeinsparungen ergeben sich durch die notwendige Anpassung der Pro-zesstemperaturen. Gerechnet wurde mit einer Prozesstemperatur von 135 °C.
Wärmeverlust
WPA (1) Der Wärmeverlust wird in erster Linie von den Prozesstemperaturen und dem Isolierungsgrad der Anlage bestimmt. Darüber hinaus treiben die Häufigkeit der An- und Abfahrvorgänge bzw. produktionslose Zeiten den Wärmeverlustanteil einer WPA in die Höhe. Nach [33] liegt der Wärmeverlust einer Wellpappenan-lage mit einer Breite von 2,5 m und einer Oberflächentemperatur von etwa 200 °C (entspricht einem Dampfdruck von etwa 15,5 barabsolut) bei 600 kW.
Durch Senkung der Prozesstemperatur auf 120 °C (Dampfdruck 2 barabsolut) re-duzieren sich die Verluste durch Wärmestrahlung und Konvektion um 50% auf 300 kW [33].
Wärmeverlust
WPA (2) Nachfolgende Grafik zeigt den Wärmeverlust bezogen auf die freie Oberfläche der Wärmetauscher einer Wellpappenanlage.
Abbildung 39: spez. Wärmeverlust WPA, nach [33]
Wesentliche Maßnahmen zur Reduzierung des Wärmeverlusts sind:
Senkung der Prozesstemperaturen
Nutzung der Abwärme aus der Schallkabine
Reduzierung der An- und Abfahrvorgänge bzw. Stillstandszeiten
Erhöhung des Isolationsgrades
Aufteilung des
Wärmebedarfs Unter Berücksichtigung des Wärmeverlustes ist in nachfolgender Grafik die Auf-teilung des Wärmebedarfs für ein BC-Wellpappenprodukt dargestellt.
Leim erwärmen, verkleistern &
trocknen 36%
Wärmeverlust 20%
Papier erwärmen
& trocknen 44%
Abbildung 40: Aufteilung des Wärmebedarfs (B/C-Welle, 621 g/m², Leim 28%, 17 g/)
Riffelwalzen Die Vorheizer, Riffelwalzen und Heizplatten sind die Wärmetauscher der WPA und Teil des Dampf- und Kondensatsystems. Bei dem System peripher gebohr-ter Walzen sind in dem äußeren Umfang der Walze Löcher gebohrt. Der Dampf wird zuerst über die obere Riffelwalze eingeführt, gelangt dann zur unteren Rif-felwalze und schließlich in den Vorheizer, wo das Kondensat beseitigt wird.Die peripher gebohrten Riffelwalzen sorgen bei geringem Dampfvolumen für einen effektiven Wärmeübergang. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch kurze Auf-heizzeiten, größere Heizfläche, geringere Biegung und Vibration aus. Nachfol-gende Abbildung 41 zeigt den Aufbau eines konventionellen und peripheren Systems sowie die erzielbare Beschleunigung des Aufheizvorganges.
Zeit (min) Zeit (min)
Abbildung 41: Schema und Aufheizverhalten peripher gebohrter Riffelwalzen
Heiz- und
Zug-partie In der Heiz- und Zugpartie (HZP) hat es in den vergangenen Jahren viele Neu-entwicklungen gegeben. Im Bereich des Gurtsystems konnte durch die Entwick-lung eines speziellen Obergurtes (Siebgurt), der durch seine offenporige Struk-tur die Feuchtigkeitsabfuhr nicht beeinträchtigt, das Ausdampfen verbessert werden.
Vorteile peripherer Heizsysteme sind das deutlich höhere Leistungspotenzial sowie die Möglichkeit, höhere Prozessgeschwindigkeiten zu erzielen. Konventi-onelle Heizplatten reagieren durch ihre massive Konstruktion und das hohe Dampfvolumen sehr träge auf Änderungen des Dampfdrucks und weisen eine relativ hohe Wärmeabstrahlung auf. Des Weiteren haben Vierkantrohrplatten oft Leckagen an den Schweißnähten.
0 5 10 15 20 25 30
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Druck in [bar]
Leistung in [kW]
Gussheizplatten - Leistung Stahlheizplatten - Leistung Gussheizplatten - Verlust Stahlheizplatten - Verlust
Abbildung 42: Vergleich Gussheizplatten und Stahlheizplatten, nach [33]
Dünnwandige Heizplatten werden aus einem wärmebeständigen Spezialstahl mit durchgehend gebohrtem Dampfraum hergestellt. Der geringe Abstand des Dampfraums zur Wellpappenoberfläche erzielt einen guten Wärmeübergang und führt zu höheren Temperaturen. Weiterhin reduzieren sich die Zeiten für das Aufheizen bzw. das Anpassen der Prozesstemperaturen bei Produktions-umstellung. Durch die hohe Dampfgeschwindigkeit wird die Kondensatan-sammlung verhindert und gewährleistet damit einen guten Übergang der Wär-me.
Schallkabine Durch eine Schallkabine können bei einer einseitigen Maschine Energiekosten durch Verminderung der Abstrahlungsverluste gesenkt werden. Eine weiterfüh-rende Nutzung der Abluft entspricht dem Stand der Technik. Beispiele für eine weitere Nutzung sind:
Hallenbeheizung (nur wirksam im Winter)
Aufwärmung von Prozesswasser (z.B. Leimansatzwasser, ganzjährig mit dem Bedarf eines Wasserspeichers)
Aufheizung von Heizwasser (Aufbau eines Pumpenwarmwassersystems, bessere Ausnutzung im Winter)
Vorwärmung von Papierbahnen durch Einblasung ins Rollenlager (vorwie-gend wirksam im Winter)
Im Rahmen der geführten Untersuchungen der PTS wurde das Potenzial aus der Schallkabinenabluft bestimmt. Im Mittel lag die Temperatur der Abluft bei 45°C. Aus dem gemessenen Abluftvolumenstrom ergibt die Abkühlung um 20 K auf 25°C einen nutzbaren Wärmeinhalt von 250 kW. Bezogen auf eine Produk-tionsmenge von 40.000 m²/h ergibt sich eine spezifische Wärme von etwa 6,4 Wh/m², die in den Prozess oder in Nebenanlagen eingebunden werden kann.
Schichtbetrieb Der Dreischichtbetrieb bietet gegenüber dem Zweischichtbetrieb, unter energe-tischen Gesichtspunkten den Vorteil geringerer Abwärmeverluste durch redu-zierte An- und Abfahrvorgänge (Abbildung 43). Auf der anderen Seite führen längere Produktionszeiten zu größeren Produktionsmengen, die einen entspre-chend höheren Bedarf an Lagerkapazität erfordern. Aus energetischer Sicht steigt damit der Bedarf für Beleuchtung und Hallenheizung. Dieser energetische Mehrbedarf ist im Vergleich zu den Abwärmeverlusten gering.
2-Schicht-Betrieb;
520.000
3-Schicht-Betrieb;
104.000
0 200.000 400.000 600.000 800.000
Wärmeverluste in kWh
Abbildung 43: Anfahrverluste, Vergleich 2- mit 3-Schicht-Systeme, nach [33]
An- und
Abfahr-vorgänge Kürzere Rüstzeiten bei Qualitätswechsel erhöhen die Produktivität der Anlage und reduzieren den Wärmeverlust. Neue Anlagen werden daher mit mindestens drei verschiedenen Fluten je Wellenaggregat ausgerüstet. Moderne Maschinen ermöglichen den Wechsel auf ein neues Profil innerhalb von drei Minuten [34].
Erhöhung des
Isolationsgrades Standardmäßig werden Dampf- und Kondensatleitungen zur WPA bzw. zum Kessel isoliert. Isolierungen unterhalb der WPA sind bei älteren Anlagen (siehe Abbildung 44), meist nicht vorzufinden.
Abbildung 44: Thermografieaufnahme unterhalb der WPA
Der Wärmeverlust in dem dargestellten Bildausschnitt liegt bei etwa 1,5 kW.
Neuanlagen sind heute mit vollständig eingehausten Heiz- und Zugpartien aus-gerüstet. Weitere Informationen zur Isolierung sind im Kapitel 6.2 zusammen-gestellt.
Prozessleitsys-tem: Allgemein Die meisten Wellpappenanlagen sind dadurch gekennzeichnet, dass viele Pro-zesse und Parameter unabhängig voneinander bedient werden, obgleich sie sich gegenseitig beeinflussen [35]. Nach [36,37] werden derzeit Prozessteue-rungsmaßnahmen vorwiegend genutzt, um Planlageabweichungen gegenzu-steuern und beruhen auf Erfahrungen bzw. Kenntnissen aus der Praxis.
In der maximalen Ausbaustufe eines Prozessleitsystems werden an allen wich-tigen Stellen der WPA die Temperatur, die Bahnspannung und die Feuchte er-fasst und optimal geregelt. Weiterhin ermöglicht die Regelung der Produktions-geschwindigkeit im Nass- und Trockenende einen zügigen Auftragswechsel mit reduziertem Abfall durch Regelung der Brückenmenge und Synchronisation der Spleißstellen.
Zukünftig wird ein Prozessleitsystem die Basis von Produktivitäts- und Quali-tätsverbesserungen bilden, die letztendlich den spezifischen Energiebedarf der Produktion positiv beeinflussen.
Prozessleitsys-tem: Voraus-setzung
Um Prozesssteuerungssysteme an der WPA zu nutzen, müssen an der Ma-schine Voraussetzungen geschaffen werden. Dazu gehören u. a.:
die Einstellbarkeit der Umschlingung am Vorheizer - bei sehr leichten Pa-pieren bis hin zur Nullumschlingung
die Regelbarkeit des Dampfsystem, bei dem der Dampfdruck auch bis auf unter 2 bar geregelt werden kann
regelbares Belastungssystem (Belastungsschuhe)
schnell regelbare Wärmetauscher (Vorheizer, Riffelwalzen, Heizplatten)
die Möglichkeit, einen minimalen und gleichmäßigen Leimauftrag zu erzeu-gen.
Prozessleitsys-tem: weitere Vorteile
Ein Kontrollsystem bietet die Möglichkeit, sich den Grenzbereichen von Behei-zung und Leimauftrag zu nähern. Nach [36] konnten bei den Wellpappenanla-gen mit Prozesssteuerung im Verlauf der Zeit die Prozesstemperaturen gesenkt werden. Eine Verminderung der Leimspalte und damit Auftragsmengen konnte ebenfalls beobachtet werden. Der Einfluss auf den Energiebedarf durch Anpas-sung der Temperatur ist in nachfolgender Abbildung 45 dargestellt.
Abbildung 45: Energiereduzierung durch Absenkung der Vorheizertemperatur, [39]
Um die Übertrocknung des Papiers zu vermeiden, wurde in diesem Beispiel die Temperatur am Vorheizzylinder von 180 auf 120°C reduziert. Der Dampfbedarf sinkt dabei von 18 auf 9 kJ/m² bzw. von 5 auf 2,5 W/m². Für einen 3-Schicht-Betrieb mit einer Jahresbruttoproduktionsmenge von 100 Mio. m² ergibt sich da-raus eine Einsparung von circa 500 MWh/a bzw. 20 k€/a bei einem angesetzten Brennstoffpreis von 40 € / MWh und dem Einsatz von zwei Vorheizzylindern.
Prozessdaten-analyse Mit Hilfe der Prozessdatenanalyse können alle Informationen, die über das Pro-zessleitsystem erfasst werden, in die Optimierung des Prozesses einfließen. So kann eine über einen längeren Zeitraum geführte Verbrauchsdatenanalyse an einer auserwählten Qualität folgende Hinweise auf Einsparpotenziale liefern:
Schicht A produziert mit geringeren Temperaturen an der WPA
Schicht B zeichnet sich durch geringere Stromspitzen aus
Schicht C benötigt weniger Druckluft
Dampfsprühein-richtung Zur Papierkonditionierung und Gurtbefeuchtung sind an der WPA Dampfsprüh-einrichtungen installiert. Zur Optimierung des Dampfeinsatzes können folgende Ansatzpunkte betrachtet werden:
Regelung der Dampfmenge über die Feuchtigkeit des Papiers nach der Konditionierung
Dampf nur für Papier bzw. Gurt nutzen (u. U. entweicht Dampf in den Randbereichen der Sprüheinrichtungen ungenutzt in die Umgebung) Im Rahmen der durchgeführten Vor-Ort-Untersuchungen der PTS konnte in ei-nem Werk ein Potenzial von etwa 2 % zur Dampf- bzw. Brennstoffeinsparung ermittelt werden. In diesem Fall wurde Dampf ungenutzt über die Randbereiche des Papiers in die Produktionshalle entlassen.
Payback Bemerkung
Schallkabine Nut-zung der Abluftabwärme
Bis zu 2,5%
Brennstoffein-sparung
3 – 4,5 Nutzbarer Wärmein-halt 250 kW pro Schallkabine Optimierung des
direk-ten Dampfeinsatzes zur Papierkonditionierung
Still-standzeiten und der An- und Abfahrvorgänge
Bis zu 3 % Brennstoffein-sparung
k. A.
*Einsparpotenzial bezieht sich auf den durchschnittlich Brennstoffeinsatz an der WPA
6.5 Wellpappenanlage Strombedarf