Energy Efficiency for Al Casthouse Furnaces

FurnAl er et 4-års prosjekt, med oppstart 1. mai 2020, som tar sikte på å legge grunnlaget for utvikling og implementering av høyeffektive aluminiums smelte- og holdeovner. Det er et samarbeid mellom Hydro Aluminium AS, Linde Gas AS, NEO Monitors AS og forskningsstiftelsen SINTEF. Målsetningen for FurnAl-prosjektet er å utvikle og iverksette strategier for bedre energieffektivitet for smelteovner, for nåværende og framtidige løsninger i Hydros smelteverk. Dette skal legge grunnlaget for en forbedring av energieffektiviteten på 10 - 20 % for de beste smelteovnene. Dette vil bli gjort ved å adressere alle viktige faktorer som påvirker energieffektiviteten for smelteovner. For smelteovner er det store variasjoner i energieffektiviteten, både over tid for hver enkelt ovn, og mellom forskjellige ovner. Ved å bedre forstå og kontrollerer årsakene til disse variasjonene vil potensial for redusert energiforbruket, kostnader og CO2-utslipp kunne realiseres. I FurnAl vil man derfor utvikle numeriske modeller for bedre forståelse og evaluering av ny og bedre teknologi og drift, og utvikling av digitale tvillinger, koblet opp mot on-line overvåkning av smelteovner, for tidlig varsling av avvik i smelteovner og igangsettelse av korrigerende vedlikeholdstiltak. I 2020 ble det gjort en Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis (FMECA) for ovner og brennere med hensyn til energieffektivitet og forbruk. I tillegg ble det startet arbeid med evaluering av data for ca. 20 av Hydros smelteovner for å identifisere viktige faktorer for energieffektiviteten av ovnene. I 2021 er flere parametere inkludert i dette arbeidet for å gjøre en best mulig kartlegging og rangering av faktorer som har betydning for energieffektiviteten av ovnene. FurnAl har to pilot-smelteovner, en i Årdal og en i Sunndal. I 2020 startet arbeidet med å etablere en detaljert modell for pilotovnen i Årdal. I 2021 har videre studier og valideringen av denne modellen fortsatt. I tillegg er det laget en detaljert modell for pilotovnen i Sunndal. Måledata fra avgassen fra en smelteovn kan gi viktig informasjon om hvordan ovnen oppfører seg i forhold til forbrenning og innsug ev ekstern, kald falskluft, to viktige faktorer som påvirker energieffektiviteten til ovnen. På slutten av 2020 installerte Hydro en sensor for O2 fra Linde Gas i pilotovnen i Årdal. I 2021 har NEO Monitors installert sensorer for O2, CO2, H2O og temperatur i avløpskanalen i pilotovnen i Sunndal. Like ens har en av Linde Gas' avdelinger i Sverige, Ferronova, gjennomført en målekampanje i pilotovnen i Årdal, hvor data for de samme gassene og temperaturen er målt. Pga. covid-19 situasjonen i 2021 ble installasjonen av sensorer i Sunndal og målekampanjen i Årdal først gjennomført høsten 2021, etter vaksinering og gjenåpning. Etter installasjonen logger NEO Monitors' målere kontinuerlig data fra pilotovnen i Sunndal. Disse dataene vil bli benyttet til overvåkning av ovnen. De nye måledataene fra Årdal og Sunndal vil også bli benyttet til videre validering av de detaljerte modellene for de to ovnene.

Hydro Aluminium has a total of 27 melting and holding aluminium furnaces located in 5 different casthouses in Norway. Surveys of fuel consumption and energy efficiency for the different furnaces show large variations. The main objective of this R&D project is to develop numerical models and monitoring techniques for casthouse furnaces for improved the energy efficiency. This involve detailed modelling of the furnace process, and development of a 'digital twin', coupled with monitoring of the furnace, for early warning of wrong furnace behaviour and initiation of correct maintenance procedure. The detailed models will be used to achieve better understanding about the root causes and mechanisms for the large variations in energy efficiency for the different furnaces. The planned control system for furnace maintenance (a 'maintenance predictor') in terms of a digital twin, will describes the true state of the furnace regarding faulty behaviour such as infiltration of cold air or poor combustion, and alert when maintenance is needed. The maintenance predictor will utilise real time monitored data for combustion gases, CO2, CO, O2, temperature and pressure in the furnace. The project will therefore develop schemes for online monitoring of combustion gases, temperature and pressure in the furnace. The project will enable Hydro to achieve 10 – 20 % improvement in the energy efficiency for the best benchmark furnaces with cold air or oxy-fuel burners.