Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Waste heat recovery from SSAB’s Steel plant in Oxelösund using a Heat Pump
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

Detta projekt är inriktat på spillvärmepotentialer inom järn och stålindustrin. Högtemperaturvärme-pumpar för medelvarma temperaturkällor har modellerats. SSABs stålverk i Oxelusund har använts som exempel. Järn- och stålindustrin i Sverige är storkonsument av energi, tillsammans med pappers och massaindustrin. Det finns också en stor potential för spillvärmeåtervinning i stålindustrin. Det görs redan i Luleå t ex [1].

Järn och stålindustrins produktionsmetoder och spillvärmeåtervinning, speciellt i USA och Sverige har studerats genom en litteraturstudie. Dagens metoder och potentialer för spillvärmeåtervinning inom järn och stålindustrin i Sverige studerades speciellt. SSABs anläggning i Oxelösund, har i decennier planerat inte bara att värma Oxelösunds stad som idag, utan också expandera till näraliggande Nyköping bara 12 km bort [2].

Typiskt är den maximala framledningstemperaturen till Nyköpings fjärrvärmenät 110 °C den kallaste dagen. En spillvärme-värmepump når normalt inte upp till så höga temperaturer. Dock räcker 80 °C maximal framledningstemperatur från värmepumpen för att nyttiggöra spillvärmekällan kontinuerligt. Även en lägre temperatur som 75 °C skulle sannolikt räcka. Bara några få fjärrvärme-värmeväxlare i några hus skulle behöva bytas för att denna lägre temperatur skulle räcka till. De överskjutande graderna mellan 80 °C (75 °C) och 110 °C kan tas med värme från t ex existerande biobränslepannor lokalt i Nyköping.

Att använda värmepumpar i detta sammanhang är inte självskrivet. Generellt är värmeflödena från ett stålverk så högtempererade att ingen värmpump behövs. Om man försöker komma åt dessa högtemperaturflöden i en gammal anläggning kan det bli väldigt dyrt och störa produktionen. Därför

koncentrerades studien på medeltemperaturkällor (30 °C till 40 °C) och användande av högtemperaturvärmepumpar. Sådan värme dumpas nu med kyltorn. På så sätt kan 50 % av Nyköpings värmebehov tillgodoses med lätt tillgänglig spillvärme. Om man antar en värmefaktor på cirka 5, och lägger till värmepumpens förbrukade elektricitet blir det 62 % av Nyköpings fjärrvärmebehov.

Oxelösundanläggningen är bara ett exempel och studien fokuseras på högtemperaturs-industriella värmepumpar HITIHP för sådana här och liknande användningar. Lämpliga komponenter och köldmedia har undersökts och generella konstruktionsprinciper av HITIHP föreslås. En litteraturstudie för att finna de bästa HITIHP-köldmedierna har gjorts.

En tvåstegs högtemperaturvärmepump, som använder den tillgängliga värmekällans kapacitet och temperaturer tillsammans med fjärrvärmenätets krav, har modellerats och simulerats. Simuleringen har huvudsakligen gjorts med programmet EES. R245fa har t ex visat sig vara lämpligt som köldmedium i det andra steget av en högtemperaturvärmepump. Med R245fa kan till och med högre temperaturer än 90 °C uppnås till fjärrvärmesystemet. Tidigare skulle R134a ha använts i en sådan här applikation, men R245fa har t e lägre GWP (Global Warming Potential omkring 1000 istället för omkring 1300)[3]. Många olika köldmedia har simulerats i lågtemperatursteget av värmepumpen som initialt antogs vara en skruvkompressor-kaskad-värmepump. En större värmpump med två turbokompressorsteg och flashtank har också simulerats. Den gav också tillfredställande resultat. I det senare fallet studerades både R1234ZE(z) och R245fa som gav goda resultat men R1234ZE(z) ger mycket lägre GWP.

Alla värmefaktorer (COP, energibehov, kondensortryck och tryckförhållanden (hög-/lågtryck) jämfördes. R245fa-R245fa och R600a-R245fa studerades noga i tvåstegs-kaskad-systemet med skruvkompressor. Dessa kombinationer gav bäst resultat. R717-R245fa var också bra men hade andra begränsningar. I tvåstegssystem med turbokompressorer och flashtank visade sig visade sig R1234ZE(z) ge gen bästa värmefaktorn. Man hade naturligtvis inte heller något temperaturfall i någon värmeväxlare mellan de två stegen. Om SSABs spillvärme av någon anledning inte skulle vara tillgängligt kan en sådan värmpump istället använda havsvatten som värmekälla.

Begränsningen av koldioxidutsläppen är mycket svåra att beräkna. Detta kommer att bero mer på politisk övertygelse än på lättbevisade fakta. En mycket grov beräkning av kostnaden har också gjorts. Uppskattningsvis kommer projektet att kosta mellan 420 och 450 MSEK. Kostnadsuppskattningen inkluderar värmepumpen och en 12 km lång förbindelse till Nyköping. Kostnaden för värme levererad till Nyköping, kommer att variera mellan 0,2 kr/kWh och 0,65 kr/kWh när elpriset varieras mellan 0,5 och 2 SEK/kWh. Den högre värmkostnaden 0,65 kr/kWh beror också på att östersjövatten – inte spillvärme används som värmekälla.

Värme från ett kyltorn kan återvinnas med en högtemperaturvärmepump. Den kan levereras från Oxelösund till Nyköping. De ekonomiska detaljerna har bar studerats översiktligt. Faktorer som om renovering den gamla pannan i Nyköping eller SSABs kyltorn kunde senareläggas, skulle kunna förbättra intresset för projektet. Ett spillvärmerör mellan Oxelösund och Nyköping har studerats sedan mitten av 70-talet av t ex Lars-Åke Cronholm [4]. Kan det vara dags nu?

Abstract [en]

This project was focused on waste heat potentials in the iron and steel industry. High temperature industrial heat pumps (HTIHP) for medium temperature, waste heat recovery were modelled. The SSAB iron and steel plant in Oxelösund was used as an example. The iron and steel industry in Sweden is a large energy consumer, together with the pulp and paper industry. There is also a large potential for waste heat recovery in the steel industry. This is already done in for instance Luleå [1].

Iron and steel production methods and waste heat recovery in the world, especially in the US and Sweden, have been reviewed in a literature study. Current methods and potentials of waste heat recovery in the iron and steel industry of Sweden were especially reviewed. The SSAB iron and steel plant in Oxelösund has been planning for decades, not only to heat the city of Oxelösund as today, but also to expand to the nearby city of Nyköping 12 km away [2].

Typically the maximum temperature entering the district heating network of Nyköping would be 110 °C on the coldest day. The heat pump output from a waste heat recovery plant generally does not have to reach such a high temperature. However, 80 °C maximum forward temperature would surely be enough to use recovered heat all the time. Even a lower temperature like 75 °C would probably be sufficient – as only a few heat exchangers in individual houses then would have to be changed, to accept that lower temperature. The extra degrees between 80 °C (75 °C) and 110 °C can be taken with heat from e.g. existing biofuel furnaces locally in Nyköping.

Using heat pumps in this context is not self-evident. Generally the heat flows from a steel plant are available at such high temperatures that no heat pump ideally is needed. However collecting the heat at those high temperatures, in an old plant, can get very expensive and interfere with the processes. Therefore the study is focusing on medium temperature (30 – 40 °C) waste heat potentials implementing High Temperature Industrial Heat Pumps (HTIHP). The heat is now being rejected by a cooling tower. That way, easily available waste heat, can cover 50% of the total need from Nyköping. Assuming a COP of around 5 and adding the electricity needed to run the heat pump, the total will result in totally 62% of the energy need for Nyköping.

The Oxelösund Plant is just an example and the study is really focusing on HITIHP for this and similar purposes. Appropriate components and refrigerants have been evaluated and the general layouts of proper HITIHP types are suggested. A literature study on the best choice of refrigerant in the high temperature heat pump has been done.

A two stage high temperature heat pump has been modeled and simulated using the available heat sink capacity and temperature, together with the demanded temperatures in the district heating network. The simulation has mainly been performed using the EES software. R245fa is e.g. a good candidate as refrigerant in a second stage (high temperature stage) of a two stage cascade heat pump. With R245fa even higher temperatures than 90°C to the district heating can be achieved. Earlier, R134a would be used in this application but R245fa has e.g. a lower GWP (around 1000 instead of around 1300) [3]. Many different refrigerants have been simulated in the first of two stages of a smaller screw compressor driven cascade heat pump. Also a two stage turbo compressor throttling heat pump, using a flash tank, has been simulated, showing a good performance. In the latter case both, refrigerants R1234ze(z) and R245fa have good characteristics but R1234ze(z) has a much lower GWP.

All COPs, compressor energy consumptions, condenser pressures, pressure ratios were compared. R245fa-R245fa and R600-R245fa were studied in the two stage cascade systems. They came out with the best results. R717-R245fa also showed a very good performance, but had other limitations. In two stage flash tank systems, R1234ze(z) had the best performance (COP) and no temperature loss between the two stages (like in the cascade systems). If SSAB Oxelösund’s blast furnace and cooling tower water would not be available, the turbo heat pump can produce the demanded heat, using sea water as heat source instead.

The CO2 emission reduction is very hard to calculate. That will be more of a political conviction problem. A very rough cost estimation of the projects investment cost is also done. It will cost between 420 and 450 MSEK. This cost estimation includes a heat pump and 12 km pipe to Nyköping. The cost of heat delivered in Nyköping will vary between 0,2 and 0,65 SEK/kWh when the cost of electricity is varied between 0,5 and 2 SEK/kWh (include taxes). In that price the capital costs for the heat pump and pipe is included. The high cost level 0, 65 SEK/kWh assumes that sea water is used as heat source.

A cooling towers waste heat can be recovered, using a high temperature heat pump. This heat can thus be delivered from Oxelösund to Nyköping. The economic viability of this idea is only superficially covered. Factors like if the old furnace in Nyköping needs upgrading, which could be postponed, could possibly tip the project into go. Maitenance cost, of the existing cooling tower, is another such factor, initiating the project. A waste heat pipe between Oxelösund and Nyköping has been studied at least since the middle of the 1970:s by e.g. Lars Åke Cronholm [4]. Could it be the right time now?

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 81 p.
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-193047OAI: oai:DiVA.org:kth-193047DiVA: diva2:974632
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-09-27 Created: 2016-09-27 Last updated: 2016-09-27Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2117 kB)295 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2117 kBChecksum SHA-512
0ee7265accd24c9aa904f415b46b85f2fc1542fadb92bd640d7caf3c71da205a20e6106aa40f40a28d088df1ae0661ee3e1699ce002761613e0552606e8079c6
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 295 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 1102 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf