Energiförluster genom
avdunstning vid ett massabruk
Utveckling av ett beräkningsverktyg samt en
undersökning av möjligheter för att minska
energiförlusterna
Examensarbete
Författare: Ellen Andrell, Tim Wisme Handledare, företag: Magnus Tyrberg,
Södra Cell
Handledare, LNU: Michael Strand Examinator: Michael Strand Datum: 2020-06-10
Ämne: Bioenergiteknik Kurskod: 2BT01E, 15 hp Nivå: Grundläggande
Sammanfattning
Tillverkningen av papper och pappersmassa är en energikrävande process och industrin står för över 51 % av den svenska industrisektorns
energianvändning. Vid tillverkningen av kemisk pappersmassa kan sulfatprocessen användas. I den tillsätts vitlut, som sedan kan återbildas i brukets lutcykel. Cykeln delas in i kokning, indunstning, sodapanna och kausticeringsprocessen, den leder även till produktion av elektricitet och värme. Under processen förvaras lut i cisterner som har en öppen skorsten, vilket leder till oönskade avdunstningsförluster.
Syftet med examensarbetet var att lokalisera de största
avdunstningsförlusterna i lutcykeln på Södra Cells pappersmassabruk i Mönsterås. Arbetets fokus låg på cisternerna i kausticeringsprocessen. Dessutom gavs förslag på hur de resulterande energiförlusterna kan minskas och hur den sparade energin kan nyttjas. För att beräkna energiförlusterna genomfördes mätningar på cisternernas avdunstningsångor.
Cisterntemperatur och lutflöden togs även fram från Södras
loggningssystem. Utifrån insamlad data utvecklades ett beräkningsverktyg i Excel som beräknar energiförlusterna i avdunstningsångorna från
cisternerna.
De beräknade energiförlusterna på Södra Cells massabruk i Mönsterås blev störst i kalkmjölkscisternen på 1,58 MW och i vitlutscistern 1 på 0,97 MW. Den totala energiförlusten genom avdunstning från cisternerna i
kausticeringsprocessen beräknades till 6,01 MW. På tre vitlutscisterner har över- och undertrycksventiler tidigare installerats med syfte att minska avdunstningsförlusterna. Energiförlusten från dessa cisterner är inte
inkluderade i den totala energiförlusten. Deras förlust har istället beräknats utifrån tidigare data innan installationen genomfördes, och resulterade i en förlust på 0,88 MW. Mätningarna som genomfördes visade även att kalkmjölkscisternen och vitlutscistern 1 har den största rördiametern och därmed uppmärksammades ett samband mellan rörets diameter och energiförlusten.
Lösningar för att minska energiförlusterna har också undersökts, där en möjlighet är att installera en ”breather valve”. Även om en ”breather valve” installeras på en cistern kommer energi gå förlorad genom värmeöverföring i rören. För att den sparade energin ska vara lönsam behöver den ha ett
användningsområde. Sparas energin tidigt i kausticeringsprocessen kommer mer energi behöva kylas bort innan kalksläckaren för att undvika kokning, då exoterma reaktioner sker i kommande processer. Däremot om energi sparas efter kalkmjölkcisternen kommer vitluten som går till kokeriet hålla en högre temperatur och behöver därmed inte värmas lika mycket. Andra möjligheter är att samla ångan och ansluta den till massabrukets
fjärrvärmesystem eller nyttjas i en Organic Rankine Cycle som kan producera elektricitet, men dessa möjligheter kräver ombyggnationer.
Summary
Pulp and paper production are energy-intensive processes and the industry is responsible for about 51 % of the energy consumption in the industrial sector in Sweden. In the manufacture of chemical pulp, the kraft process can be used. In the process white liquor is added that can be re-formed in the mill's liquor cycle. The liquor cycle is divided into digester, evaporators, recovery boiler and the causticization process, electricity and heat are also produced in the cycle. During the process, liquor is stored in tanks that have an open chimney, which leads to unwanted evaporation losses.
The purpose of the thesis was to locate the largest evaporation losses in the liquor cycle at Södra Cell's pulp mill in Mönsterås. In the thesis, focus has been on the tanks in the causticization process at the pulp mill. In addition, suggestions were made on how the resulting energy losses can be reduced and how the saved energy can be used. To calculate the energy losses, measurements were taken on the vapours from the tanks. In addition, the tank temperature and liquor flows were obtained from Södra's logging system. Based on collected data, a calculation tool was developed in Excel that calculates the energy losses in the evaporated steam leaving the tanks. The estimated energy losses on Södra Cell’s pulp mill in Mönsterås were highest in the lime tank, with losses at 1.58 MW and the white liquor tank 1, with losses at 0.97 MW. The total energy loss through evaporation from the tanks in the causticization process was calculated to 6.01 MW. At three white liquor tanks pressure regulating valves has been installed, with the aim of reducing evaporation losses. The losses from these tanks were not
included in the total energy loss though. However, the loss has been
calculated from previous data from before the installation, which resulted in 0.88 MW. The measurements also showed that the lime tank and white liquor tank 1 have the largest pipe diameter and therefore a connection between the size of the pipe and the energy loss was noted.
Solutions to reduce energy losses have also been investigated, where one possibility is to install a “breather valve”. Even if a “breather valve” is installed on a tank, energy will be lost through heat transfer in the pipes. For the saved energy to be profitable it needs an area of use. If energy is saved early in the caustic process, more energy will need to be cooled before it reaches the lime extinguisher to avoid boiling, as exothermic reactions occur in future processes. However, if energy is saved after the lime tank, the white liquor that goes to the cookery will hold a higher temperature and thus do not need to be heated as much before the cooking. Other possibilities are to collect the steam and connect it to the mills district heating system or to use it in an Organic Rankine Cycle that can produce electricity, but these solutions require rebuilding of the mill.
Abstract
Tillverkning av papper och pappersmassa är en energikrävande process och industrin står för över 51 % av energiförbrukningen inom Sveriges
industrisektor. Vid tillverkningen av kemisk pappersmassa används sulfatprocessen och då tillsätts lut i kokeriet som därefter kan återbildas i brukets lutcykel. I lutcykeln förvaras lut i cisterner och från dessa sker avdunstningsförluster.
Syftet med examensarbetet var att lokalisera de största
avdunstningsförlusterna i lutcykeln i kausticeringsprocessen på Södra Cells pappersmassabruk i Mönsterås. Dessutom gavs förslag på hur
energiförlusterna kan minskas och hur den sparade energin kan nyttjas. Mätningar på avdunstningsförlusterna genomfördes för att kunna beräkna energiförlusterna. Dessutom togs cisterntemperaturer och lutflöden fram från Södras loggningssystem. De beräknade energiförlusterna var störst i
kalkmjölkcisternen på 1,58 MW och vitlutscistern 1 på 0,97 MW. Den totala energiförlusten genom avdunstning från cisternerna i kausticeringsprocessen beräknades till 6,01 MW. Lösningar som undersökts för att minska
energiförlusterna har varit att installera en ”breather valve”, nyttja ångorna i en Organic Rankine Cycle eller använda dem för att producera fjärrvärme. Det har även studerats vart den sparade energin kan användas i det
undersökta massabruket.
Nyckelord: Massabruk, Energiförlust, Energibesparing, Avdunstning, Lut, Kausticeringsprocessen, Sulfatprocessen, Cistern
Förord
Den här rapporten är resultatet av vårt examensarbete som är den avslutande delen inom programmet Energi och Miljö, Högskoleingenjör vid
Linnéuniversitetet i Växjö. Examensarbetet motsvarar 15 högskolepoäng och har utförts på Södra Cells massabruk i Mönsterås.
Vi vill tacka Södra Cell i Mönsterås för möjligheten att genomföra det här examensarbetet i samarbete med er. Särskilt vill vi tacka Magnus Tyrberg, energisamordnare på Södra Cell, för att du tagit dig tid med visning av anläggningen, insamling av data och bistått med värdefull handledning under arbetets gång.
Vi vill även rikta ett tack till vår handledare på Linnéuniversitetet, Michael Strand, för den kunskap och vägledning som du gett oss under hela
examensarbetet.
Ellen Andrell och Tim Wisme Växjö, juni 2020
Innehållsförteckning
1. Introduktion__________________________________________ 1 1.1. Tillverkning av pappersmassa ... 2 1.2. Företagsbeskrivning ... 2 1.3. Syfte och mål ... 3 1.4. Avgränsningar ... 3 2. Teori ________________________________________________ 5 2.1. Ordlista ... 5 2.2. Sulfatprocessen ... 5 2.3. Lutens kemikalier ... 7 2.4. Avdunstningsförluster från cisternerna ... 82.5. Energieffektivisering vid massabruk... 8
2.6. Termodynamik ... 9
2.6.1. Totalt tryck, statiskt tryck och dynamiskt tryck ... 9
2.6.2. Entalpi ... 10
2.6.3. Värmeöverföring ... 10
2.6.4. Fuktig luft ... 11
3. Metod ______________________________________________ 13 3.1. Kritik till metoden ... 13
3.1.1. Kritik till beräkningar ... 14
3.1.2. Källkritik ... 14
4. Genomförande _______________________________________ 15 4.1. Mätningar på cisterner ... 16
4.2. Litteratursökning ... 17
4.3. Utveckling av beräkningsverktyget... 17
4.3.1. Energibalans och energibesparing ... 18
5. Objektsbeskrivning ___________________________________ 19 6. Energibesparande åtgärder ____________________________ 22 6.1. Breather Valve ... 22
6.2. Organic Rankine Cycle ... 23
6.3. Fjärrvärme ... 23 7. Resultat_____________________________________________ 25 7.1. Mätdata ... 25 7.2. Beräkningsverktyg ... 26 7.3. Energiförluster från avdunstning... 27 7.4. Energibesparande lösningar ... 28
8. Diskussion och slutsatser ______________________________ 30
8.1. Avdunstningsförluster ... 30 8.2. Vad kan den besparade energin användas till? ... 31
9. Referenser __________________________________________ 33 Bilagor _____________________________________________________ I
1. Introduktion
Vid FN:s klimatkonferens i Paris år 2015 skrev 196 länder på Parisavtalet. Avtalet innebär att jordens medeltemperatur inte får öka mer än 2 °C från temperaturen vid industrialismens början på 1880-talet och helst ska den inte öka mer än 1,5 °C. [1] Den globala uppvärmningen ger dramatiska
konsekvenser för jordens klimat som ekosystemförändringar, allt vanligare förekommande extremväder och en stigande havsyta till följd av smältande havsisar. [2] För att nå klimatmålet behöver primärenergianvändningen minska och likaså växthusgasutsläppen, som fram till år 2100 måste nå en nollnivå. EU:s mål är att utsläppen av växthusgaser till år 2050 ska ha minskats med 80–95 % jämfört med 1990-talet. Sverige har en ännu högre ambitionsnivå som innebär att inte ha några nettoutsläpp till år 2045. [3] Fokus ligger ofta på att användandet av fossila bränslen ska ersättas med förnyelsebar energi, det är dock minst lika viktigt att även minska totala användningen av energi i världen för att möjliggöra klimatmålen. Från 1990 till 2017 har den tillförda energin i världen ökat från cirka 102 000 TWh per år till 162 000 TWh [4], vilket är en ökning av energianvändande med över 60 %. I Sverige har den slutliga energianvändningen varit jämn sedan 1970-talet [5]. Däremot har den totala tillförda energin minskat sedan 2004, vilket är det år som mest energi tillförts i Sverige [6]. Effektivisering av bland annat transport och omvandling av energi har skett, vilket har lett till att mindre energi behöver tillföras till Sveriges energisystem. År 2018 tillfördes 570 TWh energi i Sverige och slutanvändningen var 373 TWh energi, där 38 % av den använda energin gick till industrisektorn. [7]
En av de industribranscher som använder mest energi i Sverige är papper- och massatillverkningen. År 2018 använde branschen 51 % av den totala energin i Sveriges industrisektor och nyttjade 40 % av elenergin. Däremot används förhållandevis lite fossila bränslen inom branschen då biobränslen istället är den huvudsakliga energikällan, flera massabruk i Sverige är dessutom helt självförsörjande inom elektricitet och värme. [7] Anledningen är att kemiska massabruk använder sig av sulfatprocessen där vitlut tillsätts vid kokningen av vedflis. Svartlut bildas som restprodukt från kokningen och från den kan vitluten återbildas genom lutcykeln. Svartluten innehåller löst lignin från flisen och genom att förbränna den lösta biomassan frigörs mycket energi som kan användas för produktion av elektricitet eller som processånga på bruket. [8], [9]
Den producerade förnybara energin ger massabruken en hög
självförsörjningsgrad och ersätter de fossila bränslen som annars hade behövts. Energin som inte nyttjas på bruket, utan blir överbliven elektricitet och värme, kan matas in på elnätet eller som fjärrvärme till närliggande orter. Oavsett var energin nyttjas ger den ett positivt klimatavtryck och minskar utsläppen av CO2 när den ersätter fossila bränslen. Även om massabruk har hög självförsörjningsgrad inom energi kan
energieffektiviteten förbättras och därmed kan en större miljö- och ekonomisk vinning möjligen fås från ett massabruk. Därför har detta examensarbete gjorts för att undersöka hur mycket energi som går förlorad från lutcykeln genom avdunstning och vad som kan göras för att minska förlusterna. [10]
1.1. Tillverkning av pappersmassa
Tillverkning av kemisk pappersmassa kan delas upp i förbehandling,
kokning, blekning och torkning. I förbehandlingen avbarkas och flisas veden för att i kokeriet kokas i vitlut. Ligninet och hemicellulosan separeras då från cellulosafibrerna som är den önskade råvaran för att producera pappersmassa. Därefter bleks cellulosamassan i flera steg för att motverka den färgning som restligninet i massan annars orsakar. Till sist torkas pappersmassan för att lättare kunna transporteras till ett pappersbruk. Om pappersbruket däremot är integrerat med massatillverkningen behöver den inte torkas utan kan transporteras direkt till papperstillverkningen. [11] Pappersmassa kan även tillverkas på mekaniskt sätt och görs genom att hantera veden genom mekaniska processer för att frilägga cellulosafibrerna från ligninet [12].
Sulfatprocessen är idag den vanligaste metoden för att producera kemisk pappersmassa och har konkurrerat ut sulfitprocessen, som inte tillverkar lika starkt papper. Sulfatprocessen använder vitlut som innehåller de två
kokkemikalierna natriumhydroxid, NaOH, och natriumsulfid, Na2S. När vitluten löser upp ligninet i veden kan cellulosan separeras bort och restprodukten blir svartlut. För att återbilda kokkemikalierna kan luten gå igenom flera steg i den så kallade lutcykeln. Lutcykeln är en viktig process i dagens pappersmassatillverkning eftersom det är ett miljövänligt sätt att hantera kemikalierna samtidigt som en stor mängd energi produceras i processen som kan användas i massabruket. [8], [11]
1.2. Företagsbeskrivning
Södra är ett medlemsägt företag som ägs av 52 000 medlemmar. Företaget började som en ekonomisk förening 1938, då flera mindre
skogsägarföreningar i Sverige gick samman och bildade Sydöstra Sveriges Skogsägareföreningars Förbund. Södras huvuduppgift är att ge deras medlemmar förutsättningar för att sköta ett hållbart och stabilt skogsbruk. Södra delas in i fyra olika sektioner; Södra Skog arbetar med skogshantering och skötsel, Södra Wood står för produktionen av träprodukter, Södra Cell är ansvariga för produktionen av papper- och textilmassa och Södra Innovation arbetar med utveckling av nya produkter samt förbättring av de befintliga. [13], [14]
Södra Cell består av tre massabruk som är belägna i Mörrum, Värö och Mönsterås. De äger inga egna pappersbruk, utan all tillverkad massa säljs till kunder i Sverige och utomlands. Södra Cell är en av de största
producenterna av såld pappersmassa i Europa. [14]
Massabruket i Mönsterås är Södras största pappersmassabruk och det har en produktionskapacitet på 750 000 ton pappersmassa/år. Huvudråvaran är barrved, vilket gör bruket till en av världens största producenter av barrvedsmassa. Vid kemikalieåtervinningen i sulfatprocessen tillverkas årligen 800 GWh grön el som används för att driva massabruket samt en anläggning tillhörande Södra Woods belägen bredvid bruket, dessutom produceras fjärrvärme. Ungefär en tredjedel av den producerade gröna elen, 230 GWh, blir ett överskott som matas in på det allmänna elnätet och bruket säljer årligen cirka 150 GWh fjärrvärme. [15] Förutom el och värme,
producerar även Södras massabruk tallolja och blev år 2020 först i världen att producera kommersiell biometanol. [16]
1.3. Syfte och mål
Syftet med arbetet är att lokalisera de största avdunstningsförlusterna som sker i lutcykeln på Södra Cells pappersmassabruk i Mönsterås och därefter ge förslag på åtgärder för att minska dessa. Dessutom ska en metod och ett beräkningsverktyg för att beräkna de resulterande energiförlusterna från avdunstningen konstrueras. Detta för att förenkla liknande undersökningar i framtiden. Därutöver ska en undersökning på vad den sparade energin kan användas till i bruket genomföras.
1.4. Avgränsningar
Arbetet har avgränsats till att endast se vilka avdunstningsförluster som sker i lutcykeln på pappersmassabruket i Mönsterås och inte resterande processer. Fokus har legat på avdunstningsförlusterna som sker i kausticeringen då Södra ansåg att det kunde finnas potentiellt stora avdunstningsförluster i denna process. De energiförluster som sker i rör och ledningar har bortsetts ifrån då det är energin i avdunstningsförlusterna som undersökts. Genom dessa avgränsningar kan energiförluster ha missats, men i och med
tidsbegränsningen som fanns för projektet ansågs dessa begränsningar vara nödvändiga.
Eftersom lut består till största del av vatten har lutflödena antagits bestå av vatten och ingen hänsyn har tagits till de kemikalier som är lösta i vätskan. Detta kan främst påverka resultatet vid beräkningarna av entalpi och densitet vid energibalansen. Gasflödet ut ur cisternerna har antagits vara fuktig luft, detta även fast det upptäcktes att luftinflödet till cisternerna antagligen inte var tillräckligt stort som det beräknade utflödet av luft. Anledningen till detta antagande är att det är ångans entalpiförlust som leder till den
huvudsakliga energiförlusten, inte resterande gasblandning. Vid
beräkningarna av den förlorade energin från cisternerna har det antagits ett konstant utflöde av fuktig luft.
2. Teori
2.1. Ordlista
LG – Grönlut: bildas utav smältan i sodapanna genom tillsats av svaglut. LS – Svaglut: lutrester tvättas från filter och svaglut bildas.
LT – Tunnlut: lut med ligninrester från kokningen, torrhalt ca 15 %. LTJS – Stark tjocklut: tjockluten har slutindunstats, torrhalt på ca 78 %. LV – Vitlut: består huvudsakligen av kokkemikalierna NaOH och Na2S.
2.2. Sulfatprocessen
Ved består av lignin, hemicellulosa och cellulosa, där cellulosan är den önskade beståndsdelen vid massatillverkning. Kemiska massabruk kan genom att använda sulfatprocessen, frigöra cellulosafibrerna då flisen kokas med vitlut, LV. Ligninet löses då ut och NaOH förbrukas som kan återbildas från lutresterna genom lutcykeln. Processen fungerar som en
kemikalieåtervinning där ny LV bildas, under återbildningsprocessen kan även en stor mängd energi produceras i form av både elektricitet av värme. Lutcykeln är därmed ytterst viktig för kemiska massabruk, både för
kemikaliehanteringen och för att driva de energikrävande processerna, se Figur 1.
Figur 1: Flödesschema över lutcykeln och de fyra stegen; kokning, indunstning, sodapanna samt kausticeringen. Kausticeringen består av flera delsteg.
Lutcykeln kan delas upp i de fyra stegen; kokning, indunstning, sodapanna och kausticering. Kokningsprocessen börjar med att flisen basas, vilket innebär att flisen värms upp för att fukten ska förångas och luften drivas ut. Det görs för att LV enklare ska kunna tränga sig in mellan flisens fibrer. Kokförloppet som sker därefter kan variera beroende på om flisen är från löv- eller barrved, men till kokaren tillsätts alltid LV som löser upp ligninet i flisen och frilägger cellulosafibrerna. [17] Fibrerna kan därmed bindas samman av vätebindningar och bilda en kemisk pappersmassa som till största del består av cellulosa och hemicellulosa. Resterna som innehåller vatten, lignin och kemikalier, separeras från massan och förs vidare till indunstingen som tunnlut, LT.
LT har en torrsubstanshalt, TS, på cirka 15 % och för att kunna förbränna de organiska resterna som är lösta i luten behöver TS höjas till över 70 %. Det görs i indunstningsapparater, även kallade effekter. [18] Luten strömmar in i effektens botten och upp genom tuber omgivna av varm ånga.
Värmeöverföring från ångan värmer upp luten som börjar koka och resulterar i att vattenånga avdunstar från luten och halten TS ökar. Den avdunstade vattenångan separeras från luten i toppen av effekten och används till uppvärmningsångan i föregående effekt och går därmed i motsatt riktning som luten. Ett samband mellan vattnets kokpunkt och tryckförändringar möjliggör att ångan kan återanvändas och minskar därmed behovet av ånga under indunstningsprocessen. Produkten efter
slutindunstningen är stark tjocklut, LTJS, som förs vidare till sodapannan och har en TS på cirka 78 %. [18], [19]
I sodapannan sprutas LTJS in och torkas då av de heta förbränningsgaserna, varpå mindre lutdroppar förgasas medan större droppar faller ner på en bädd i botten av sodapannan. LTJS innehåller natrium och svavel som leder till flertalet exoterma och endoterma reaktioner, de mest betydelsefulla reaktionerna beskrivs nedan.
𝑁𝑎2𝑆 + 2𝑂2 → 𝑁𝑎2𝑆𝑂4+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 + 2𝐶 + 𝑁𝑎2𝑆𝑂4 → 𝑁𝑎2𝑆 + 2𝐶𝑂2
Resterande mängd natrium som inte bildar Na2S reagerar huvudsakligen till Na2CO3, även kallad soda, vilket har gett upphov till namnet sodapanna. Smältan som bildas, vilken består av Na2CO3 och Na2S, rinner ut ur botten på sodapannan och ner i en smältlösare där svaglut, LS, pumpas in och tillsammans med smältan bildar grönlut, LG. [20]
Högtrycksångan som produceras vid förbränningen nyttjas genom att generera elektricitet som kan användas internt, externt samt som
processånga i massabruket. När ångans temperatur därefter sjunkit kan den nyttjas till uppvärmning, torkning av flis eller fjärrvärme. Ångan som tas till vara har stor ekonomisk betydelse för ett massabruk då energitillgångarna
kan täcka stora delar av energianvändningen i massaprocessen och ger möjlighet för bruket att bli självförsörjande på energi. [20]
LG som bildas i sodapannans smältlösare förs vidare till kausticeringen. Lutens temperatur under lutcykeln önskas hållas strax under
koktemperaturen på 100 oC. Dels för att minska mängden energi som krävs vid uppvärmning av luten vid processer med hög temperatur, såsom
kokningen. En högre temperatur leder också till en lägre viskositet, vilket är önskvärt eftersom det förenklar pumpning när TS i luten ökar under
indunstningen.
Sista steget är kausticeringen, men innan den sker behöver LG skiljas från det slam som bildats vid smältlösningen. När luten renats går den till en lutkylare som sänker temperaturen på luten. Detta görs för att den kommande kalksläckningen utvecklar mycket värme genom kemiska reaktioner, vilket gör att temperaturen kan överstiga lutens kokpunkt. Den kylda LG förs vidare till kalksläckaren där bränd kalk, CaO, tillsätts och reagerar med vattnet i luten för att bilda kalciumhydroxid, Ca(OH)2. Från kalksläckaren går luten i en serie av kausticeringskärl där ytterligare
reaktioner sker för att återbilda NaOH. Reaktionerna, som kan ses nedan, är exoterma och därför ökar temperaturen i cisternerna. [19], [21]
𝐶𝑎𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖
𝑁𝑎2𝐶𝑂3+ 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 → 2 𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝐶𝑎𝐶𝑂3+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 Efter de kemiska reaktionerna har LV bildats, men CaCO3, även kallad mesa, måste separeras bort innan luten kan återgå till kokningen. Mesan förs vidare till en mesacykel där återbildning av CaO sker. Den renade LV går tillbaka till kokningen där den återanvänds som kokkemikalie och lutcykeln är då sluten. [19], [21]
2.3. Lutens kemikalier
Under lutcykeln sker omvandling av luten genom kemiska reaktioner flertalet gånger, vilket gör att de olika typerna av lut skiljer sig åt i deras kemiska uppbyggnad. I kokeriet tillsätts LV som består av vatten och de två kokkemikalierna NaOH och Na2S som under lutcykeln reagerar och bildar olika typer av natrium- och sulfatföreningar beroende på var i processen luten befinner sig. Samtliga lutar är mycket alkaliska och har ett högt pH-värde som främst påverkas av karbonaterna som bildas vid de kemiska reaktionerna. [22] I sodapannan bildas NaCO3 när det finns tillgång till koldioxid, CO2, i samband med kokkemikalierna och vatten. CO2, som är en sur gas, kan lösas i vattnet och därmed påverka alkaliniteten på luten genom att sänka dess pH-värde. Beroende på lutens temperatur och om den
ta upp eller avge sura gaser som ger variationer i lutens pH-värde. [23] Står luten i en cistern med en temperatur under kokpunkten, kan luten avge vattenånga i form av avdunstning. Det sker också kemiska reaktioner där gaser lätt avges, exempelvis CO2 och den flyktiga gasen H2S. [22]
2.4. Avdunstningsförluster från cisternerna
Sulfatprocessen är uppbyggd utav flertalet flöden och cisterner där olika lutar blandas, renas och bevaras mellan olika delsteg i processen. Om en cistern har en öppen skorsten kommer ånga, vilket i denna rapport antagits vara blandad med luft, att förloras genom röret och en oönskad
avdunstningsförlust sker. Ångan måste dock kunna tas sig ut ur cisternerna eftersom ett för stort över- eller undertryck kan uppstå i cisternerna om de är slutna. Tryckförändringar uppstår främst om mängden vätska i cisternerna förändras, exempelvis genom att ett till- eller frånflöde i cisternen antingen ökar eller minskar. Om en energibesparande installation genomförs måste cisternerna därför ha en möjlighet att tryckutjämna. [24]
2.5. Energieffektivisering vid massabruk
Massabruk med dess höga energikonsumtion, kan få många fördelar genom att göra processen mer energieffektiv. Antingen genom att nyttja de
energikällor som finns tillgängliga på ett mer fördelaktigt sätt eller att minska energianvändningen. Högtrycksångan som produceras i
massabrukets sodapanna är en energikälla som kan generera energi i form av både elektricitet och värme. Den har därmed en hög användbarhet då ett nyttjande av den ger fördelar till bruket. Om bruket blir tillräckligt
energieffektivt kan det bli självförsörjande, då kan överbliven el och värme säljas och bli en inkomstkälla. Massabruk har en jämn produktion över hela året och är därmed en ständig energiproducent, till skillnad från flera andra förnybara källor som sol- och vindkraft. [25]
Vid energieffektivisering av massabruk kan mindre energiförluster
undersökas närmre och utvecklingen kan vara att nyttja det överskott- och spillvärme som finns i bruket genom att bespara den. Värmen kan också användas för att producera elektricitet eller användas till uppvärmning.
2.6. Termodynamik
I rapporten kommer beräkningar av den energi som går förlorad genom avdunstningsförluster vid Södra Cells massabruk i Mönsterås göras och energibalanser över lutflödena i bruket ställas upp. Beräkningarna behandlar dynamiskt tryck, entalpier och värmeöverföring och därför krävs förståelse för termodynamiken bakom beräkningarna.
Termodynamik är grunden till energi och värmes konverteringsprocesser och grundas på termodynamikens huvudsatser. Den första huvudsatsen förklarar att energi kan omvandlas mellan olika former men aldrig skapas eller förstöras. Exempelvis kan vattenånga avdunsta från en lutvätska i en cistern om tillräcklig mängd energi tillförs vätskan. Om temperaturen på vätskan i cisternen ökar kommer mer energi gå förlorad genom avdunstning om den inte tas tillvara. Temperaturförändringar är därmed viktigt att ha i åtanke vid system som behandlar energi. [26], [27]
2.6.1. Totalt tryck, statiskt tryck och dynamiskt tryck
Stationära strömningar som är inkompressibla innebär att förhållandena anses vara nästintill oföränderliga, vilket betyder att flödets densitet anses vara konstant och tryckförändringarna tillräckligt små för att inte påverka dess volym. Rör sig ett flöde längs en strömlinje, exempelvis i ett rör, kan beräkningar av flödets hastighet och tryck göras genom att använda Bernoullis ekvation (1). I ekvationen är ρ fluidens densitet, g är
gravitationskonstanten, p är trycket, v är strömningshastigheten och z är höjden över ett horisontellt referensplan. Höjden z kan förkortas bort om höjdskillnaden mellan de två punkterna anses obetydlig vid beräkningarna.
𝑝1 𝜌 × 𝑔+ 𝑣12 2 × 𝑔+ 𝑧1= 𝑝2 𝜌 × 𝑔+ 𝑣22 2 × 𝑔+ 𝑧2 (1)
Ett flöde som strömmar genom rör bildar tre olika tryck; totalt, statiskt och dynamiskt tryck. Det statiska trycket är konstant och grundas på kraften som fluiden utgör mot väggen i röret. Det dynamiska trycket är det tryck som ges på en vinkelrät yta mot strömningslinjen och varierar beroende på flödets hastighet. Tillsammans bildar de två termerna det totala trycket. Anses ett flöde vara stationärt är densiteten och hastigheten densamma i två utvalda punkter i röret. Då kan flödeshastigheten beräknas genom att skriva om Bernoullis ekvation till ekvation (2), där Δp är det dynamiska trycket. [28]
𝑣 = √2 × ∆𝑝
2.6.2. Entalpi
Molekylerna som bygger upp ett system har både rörelseenergi och lägesenergi, vilket är grunden till hur mycket inre energi som systemet innehåller. Den inre energin tillsammans med systemets tryck, temperatur och volym bestämmer systemets entalpi. Luten i ett massabruk har varierad mängd entalpi beroende på flödenas förhållande. Entalpi är en
tillståndsstorhet som betecknas h och mäts i enheten J/kg. [29]
Specifik värmekapacitet, c, har enheten J/(kg oC) och definieras som den mängd värme som krävs för att höja en massas temperatur med 1 oC. Entalpi kan beräknas med hjälp av ett ämnes värmekapacitet och rådande
temperatur. Den specifika värmekapaciteten för ett ämne är inte konstant utan varierar i samband med omgivningens förhållande. [30]
I en cistern som innehåller en fluid med hög temperatur, men samtidigt inte överstiger fluidens kokpunkt, sker avdunstning. Entalpiförlusten för den avdunstade ångan beror på den ångbildningsentalpi som vätskan har vid den rådande temperaturen. Dessutom förloras energi genom uppvärmning av luften som tas in i cisternen. Även om den fuktiga luftens temperatur sjunker på vägen ut ur cisternen kommer energiförlusten från systemet vara
densamma. Detta beror på att värmen från ångan överförs till omgivningen oavsett om den förloras ut ur cisternen genom skorstenen eller förlorar energi genom värmeöverföring till omgivningen. [31]
2.6.3. Värmeöverföring
Värmeöverföring betyder att värmeenergi transporteras mellan olika kroppar på grund av temperaturskillnaden dem emellan. Överföringen av energin sker genom värmeledning, konvektion eller strålning och kan ske mellan både fasta, flytande och gasformiga kroppar. Medier innehåller olika
mängder rörelseenergi beroende på deras temperatur, där rörelseenergin blir större när temperaturen ökar. Kroppen med högre temperatur avger energi i form av värme till omgivningen och temperaturen jämnas ut. Denna process kallas värmeledning. Värmeöverföringen sker alltid från den varmare till svalare kroppen. [32]
Konvektion sker mellan vätskor och gaser som är i rörelse. Rörelsen kan uppstå på grund av mediernas olika densitet där en lättare gas, exempelvis vattenånga, vill stiga uppåt och vara ovanför den omgivande tyngre luften. Om gaserna har olika temperaturer sker värmeöverföring mellan dem. Konvektionen påverkas mycket av vattenångas hastighet, där
värmeöverföringen ökar kraftigt vid en högre strömningshastighet. [32] Studeras en cistern med en skorsten på taket som innehåller en varm fluid, exempelvis vitlut, avdunstar vatten från fluiden och bildar vattenånga som
tillsammans med den luft som tas in i systemet bildar fuktig luft. Den fuktiga luften vill stiga uppåt och strömmar då ut genom skorstenen på cisternen. Då sker värmeledning från gasen till rörmaterialet som omger den fuktiga luften, samt konvektion till den svalare omgivningen, vilket gör att gasens temperatur sjunker. Ju längre sträcka den fuktiga luften strömmar i röret desto mer värmeenergi förlorar den till omgivningen.
2.6.4. Fuktig luft
Luft består till största del av kväve och syre. Beroende på omgivningens temperatur kan luften innehålla olika mängder vattenånga, och luften är mättad på fuktighet när den innehåller sin maximala mängd vattenånga. Vid detta skeende är den fuktiga luftens temperatur densamma som vattenångans kondenseringstemperatur. [31] Sjunker luftens temperatur under denna punkt kommer vattenånga fällas ut, ångan kondenserar. Temperaturen då detta sker kallas daggpunkt och luften är då mättad på vattenånga. [33] Fuktig luft har en våt och en torr temperatur. Skillnaden mellan den våta och torra temperaturen är ett mått på den relativa luftfuktigheten, vilket innebär att vid 100 % relativ luftfuktighet är temperaturerna densamma. [34] Luftens relativa fuktighet redogör hur stor luftens mättnadsgrad är med avseende på vattenånga och beräknas enligt formel (3). pH2O är partialtrycket för vattenånga i den fuktiga luften, och p’’H2O är mättnadstrycket för
vattenångan vid rådande temperatur. När φ = 1 är luften mättad på fuktighet och kan inte ta emot mer vattenånga. [31]
𝜑 = 𝑝𝐻2𝑂
𝑝′′𝐻2𝑂
(3)
Partialtryck för en komponent i en gasblandning definieras som det tryck komponenten skulle ha om den ensam fyller samma volym vid rådande temperatur och beräknas enligt ekvation (4). [35]
𝑝𝐻2𝑂 = 𝑒11,78 ×
𝑡𝑣−99,64
𝑡𝑣+230 × 100000 (4)
Blandning av luft och vatten gör att ett totaltryck av de två komponenterna uppstår. Den fuktiga luftens totaltryck beräknas genom ekvation (5) där patm är torra luftens partialtryck, som vanligen kan antas vara 101,325 kPa [31], och Δp är det dynamiska trycket.
Vatteninnehållet i luften kan beräknas med hjälp av ekvation (6), där x är luftens ångkvot; massa vatten per massa torr luft, RL är torra luftens gaskonstant (287 J/(kg K)) och RH2O är vattenångans gaskonstant (462 J/(kg K)). [31] 𝑥 = 𝑚å𝑛𝑔𝑎 𝑚𝑙𝑢𝑓𝑡 = 𝑅𝐿× 𝜑 × 𝑝 ′′ 𝐻2𝑂 𝑅𝐻2𝑂× (𝑝𝑡𝑜𝑡− 𝜑 × 𝑝′′ 𝐻2𝑂) (6)
För beräkning av en flödeshastighet krävs densiteten för den fuktiga luften och den kan beräknas enligt (7), med hjälp av vattenångans massa, torra luftens massa och fuktiga luftens volym. [31]
𝜌𝑡𝑜𝑡 = 𝑚å𝑛𝑔𝑎+ 𝑚𝑙𝑢𝑓𝑡 𝑉
3. Metod
Examensarbetets mål är att lokalisera de största avdunstningsförlusterna vid Södra Cell i Mönsterås pappersmassabruk och ta fram en kvantitativ metod för att beräkna förlusterna. Förslag på lösningar som minskar förlusterna ska också presenteras. Arbetet sker under en begränsad tidsperiod och därmed kommer rapporten fokusera på avdunstningskällorna i
kausticeringsprocessen.
Arbetets första steg blir att granska hur lutcykelns process är uppbyggd och vilka beståndsdelar den innefattar på anläggningen. Detta genom att nyttja fullbordade flödesscheman som tillhandahålls av Södra Cell. Här kommer lutflöden studeras för att se deras rörelse genom bruket och därmed kan potentiella källor för avdunstningsförlusterna lokaliseras.
Södra Cell har ett internt loggning- och mätsystem som heter Smart Client där data över bruket loggas och kan plockas ut för att användas vid
beräkningar. Flödesscheman innehåller information om vart givare är placerade i bruket som kan hittas och avläsas i Smart Client. Om givare inte är monterade på önskvärda ställen i lutcykeln som gör att data inte kommer kunna tillhandahållas, kan Smart Client kompletteras genom mätningar på cisternernas avdunstningsångor.
En litteratursökning behöver genomföras för att samla information för att rapportens mål ska kunna nås. Litteraturen ska handla om hur
sulfatprocessen är uppbyggd och de olika komponenternas funktion i bruket. Den behöver även behandla termodynamik för att beräkningarna om bland annat massflöden och energiförluster ska kunna förklaras. Utöver
litteratursökningen kommer även en dialog med anställda på Södra Cell ske som tillför information om sulfatprocessens uppbyggnad och
driftinformation för det specifika massabruket i Mönsterås.
Baserat på den framtagna informationen om lutflödena i bruket och litteratursökningen ska ett beräkningsverktyg konstrueras i Excel. Mätdata ska kunna matas in och verktyget ska visa ett resultat för energiförluster utifrån angivna värden. Utifrån de flöden som beräknas ska en energibalans göras för att få en helhetssyn över lutcykelns energiförluster i förhållande till energiflödena.
3.1. Kritik till metoden
Mätningarna i fält genomfördes endast en gång på varje cistern. Det berodde dels på arbetets begränsade tidsperiod, men även på massabrukets
förhållningsregler som gjorde att god planering behövdes för att genomföra mätningarna. Eftersom mätningarna endast genomfördes en gång hade fler mätningstillfällen gett mer tillförlitliga data då en upprepning av
mätningarna kan ge avvikande resultat. Data för beräkningarna har även samlats in från loggningsprogrammet Smart Client. När informationen granskades i samråd med en driftingenjör på Södra Cell framkom det att flödesmätarna inte visade ett helt korrekt resultat, då givarna hanterar stora volymflöden samt att flödet varierar beroende på brukets drift. Mätningarna som gjordes i fält anses ha hög reliabilitet och trots att felmarginal kan förekomma för Smart Clients värde är de tillförlitliga vid avläsning av längre tidsperioder.
Mätningarna som genomfördes på avdunstningsgasen har god validitet då instrument som termometer och Prandtl-rör användes som mäter det som efterfrågades. Uppmätt data är även relevant för beräkningarna då de ligger till grund för verktyget.
3.1.1. Kritik till beräkningar
Den kvantitativa metoden ligger till grund för beräkningarna i Excel. För de beräknade energiförlusterna från cisternerna antogs att utflödet av fuktig luft är konstant. Det behöver dock inte vara det eftersom cisternerna också kan ta in luft om ett undertryck bildas i dem. Energibalanserna som är utförda i samband med beräkningar av energiförlusterna är inte utförda med största noggrannhet. Detta beror på att energibalanserna som gjordes var för att få en uppfattning om hur stort energiflödet i processerna var i förhållande till de förlorade energierna. Här gjordes några antaganden på flöden för att energibalanserna skulle kunna ställas upp genom att granska flödesscheman och nyttja tillgängliga data. Luten består av olika kemikalieblandningar under processens gång och innehåller även kalk under kausticeringen, vilket påverkar densiteten på luten. Trots kännedom om detta antogs lutens
densitet vara densamma som vatten, vilket kan ha påverkat resultatet.
3.1.2. Källkritik
Litteratursökningen behandlade främst läroböcker om sulfatprocessen och termodynamik. Dessutom har vetenskapliga artiklar som berör nyare
forskning undersökts, då böckerna framförallt behandlar grundprincipen för produktion av pappersmassa och inte hur tekniken utvecklats i det moderna samhället. De källor som har använts har styrkt varandras påstående, vilket förstärker trovärdigheten i det som är skrivet. De vetenskapliga artiklarna var alla peer-reviewed och reviderade för att sedan publiceras i journaler och anses därmed vara trovärdiga.
4. Genomförande
Arbetet påbörjades genom ett möte på Södra Cell i Mönsterås en tid innan projektstarten. Då diskuterades vilken del av bruket som var av störst intresse gällande avdunstningsförluster som sker och hur dessa skulle kunna begränsas. I samband med detta beslutades att arbetet skulle behandla lutcykeln och att fokus skulle ligga på kausticeringsprocessen, då denna ansågs enligt handledaren på Södra kunna ha stora potentiella
avdunstningsförluster. Från det mötet beslutades därefter ett syfte med tillhörande frågeställningar för projektet.
Vid starten av projektet besöktes Södra igen för att börja kartlägga hur lutcykeln ser ut i bruket i Mönsterås och gjordes med hjälp av tillgängliga flödesschema som Södra Cell tillhandahöll. Därmed kunde potentiella avdunstningskällor lokaliseras. Viktigaste avdunstningsförlusterna antogs då vara från kärl och cisterner i kausticeringsprocessen och de utvalda källorna var utjämningscisternen, LG-cistern 1–2, kalksläckaren, kausticeringskärl serie A och serie B, kalkmjölkscisternen samt de fyra LV-cisternerna, se Figur 2. När flödesscheman studerades markerades även givare där Södra Cells loggningsprogram Smart Client registrerade data, namngivna TI, PI eller FC, som står för ”Temperature Indicator”, ”Pressure Indicator” och ”Flow Controller”. Data togs ut från programmet och valdes att visa en längre tidsperiod, vanligen 2 månader, för ett mer tillförlitligt medelvärde. När givare inte fanns vid önskade punkter för att energibalanserna skulle kunna ställas upp utifrån in- och utflöden i cisternerna, togs beslutet att mäta avdunstningsförlusterna i fält istället direkt på de utsläppta gaserna.
Figur 2: Flödesschema över kausticeringsprocessen. De källor som ligger till grund för beräkningar och mätningar är utmärkta med "ångförluster" i schemat.
4.1. Mätningar på cisterner
För att beräkna energiförlusterna i lutcykelns cisterner kompletterades data från Smart Client genom att utföra mätningar på de aktuella cisternernas avdunstningsångor.Mätutrustningen som användes var ett Prandtl-rör för att mäta det dynamiska trycket, två termometrar där den ena var inlindad i en fuktig gasbinda för att mäta den våta temperaturen, samt ett måttband för att mäta rördiameter, se Figur 3.
Figur 3: Från vänster en manometer, ett Prandtl-rör samt två termometrar som mätte våt respektive torr temperatur.
Mätningar kunde inte genomföras på LV-cisternerna 3–5 då det saknades möjlighet att mäta energiförlusten ur röret efter att över- och
undertrycksventilerna installerades på cisternernas rör. Mätningarna genomfördes på uttag nära skorstenarnas utflöde. I Figur 4 kan ses hur skorstenarna till kalkmjölkcisternen, de två kausticeringskärl serierna och kalksläckaren är belägna.
Figur 4: Mätningarna utfördes bland annat på; rör 1: kalkmjölkscisternen, rör 2: kausticeringskärl serie A, rör 3: kausticeringskärl serie B och rör 4: kalksläckaren.
4.2. Litteratursökning
Förutom mätningar och besök på massabruket i Mönsterås, genomfördes även en litteratursökning. Den påbörjades direkt när projektet startade för att få kunskap om hur ett pappersmassabruk fungerar innan besöken vid Södra. Källor till sulfatprocessens uppbyggnad och funktion kom ofta från
kompendium och utvecklingsföretag inom branschen. Till stor hjälp var Bo Ferms bok ”Sulfatmassateknik” som gav förståelse för sulfatprocessens uppbyggnad. De vetenskapliga artiklar som användes var mer inriktade på de kemiska processer som sker under lutcykeln, nyutvecklingen inom massabruk och nyttjande av spillvärme.
Litteratursökningen som behandlade området termodynamik utgick mycket från läroböcker för universitetsundervisning såsom Henrik Alvarez
”Energiteknik del 1”, och genom att studera rapporter inriktade på energiberäkningar. Formler och beräkningssätt har baserats utifrån litteraturen.
4.3. Utveckling av beräkningsverktyget
Efter mätningarna och litteratursökningen påbörjades arbetet med att konstruera ett beräkningsverktyg i Excel. Målet med rapporten var att beräkna energiförluster från avdunstningskällor i lutcykeln och verktyget konstruerades för att beräkna detta. Tillgänglig data var temperatur och dynamiskt tryck på den avdunstade gasen, temperatur i cisternerna,
rördiametern och volymflöde av lut mellan cisterner, vilket blev grunden för beräkningsverktyget. Utifrån temperaturerna kunde ångbildningsentalpi, cp-värden, densitet och R-värden för luft och vattenånga tas fram som kompletterar de uppmätta värdena. I cisternerna antogs det vara atmosfärstryck.
Därefter beräknades den relativa luftfuktigheten, mass- och volymflöde, fuktkvot och till sist entalpier och effekter för ångorna. Detta utifrån formler i teorin, se 2.6. Termodynamik. För att kunna beräkna mass- och
volymflödena för vattenånga och luft behöver luftens våta densitet först beräknas. Densiteten är beroende av volymen och massan, där volymen var okänd vid beräkningarna. Detta löstes genom att använda bestämda formler för massa luft och massa vattenånga och volymen kunde då förkortas bort, se ekvation (8). 𝜌𝑣å𝑡(𝑘𝑔 𝑚3) = 𝑚𝐻2𝑂+𝑚𝐿 𝑉 = = 𝜑×𝑝′′𝐻2𝑂×𝑉 𝑅𝐻2𝑂×(𝑡𝑣å𝑡+273,15)+ 𝜑×(𝑝𝑡𝑜𝑡−𝑝′′𝐻2𝑂)×𝑉 𝑅𝐿×(𝑡𝑡𝑜𝑟𝑟+273,15) 𝑉 = (𝑦×𝑉)+(𝑧×𝑉) 𝑉 = 𝑦 + 𝑧 (8)
Under beräkningarna delades luft och vattenånga upp var för sig, då avdunstningsångorna antogs bestå av fuktig luft. När energiberäkningarna påbörjades och in- och utflöden från cisternerna skulle ställas upp upptäcktes det att cisternerna inte hade något direkt inflöde av luft, utan att det endast fanns små luckor på cisternernas tak som kunde släppa in luft. Detta
luftintag ansågs vara för litet i förhållande till det beräknade utflödet av luft, men ändå antogs ångförlusterna bestå av fuktig luft vid beräkningarna. En anledning till detta antagande var att upptäckten gjordes i slutet av
examensarbetet för att en analys av ett gasprov skulle hinna utföras under arbetets tidsperiod.
4.3.1. Energibalans och energibesparing
Energibalanser gjordes också för att kunna se energiflödena genom kausticeringen, vilket krävde att alla flöden i cisternerna var kända.
Volymflöden på luten togs fram från ”Smart Client” och där givare inte var placerade gjordes antaganden utifrån de andra flödena. Oftast saknades ett av volymflödena i cisternen, men eftersom beräkningsverktyget kalkylerade den förlorade volymen via avdunstningen var två av tre flöden kända och det sista okända flödet baserades på de andra.
Över- och undertrycksventiler installerades på LV-cisternerna 3–5 under år 2018 för att minska avdunstningsångorna och därmed göra en
energibesparing. Ett mål med rapporten var ursprungligen att kunna undersöka hur mycket energi som hade sparats genom installationen av ventilerna. Uppmätta värden innan installationen av ventilerna fanns tillgängliga men för att kunna jämföra resultatet behövdes mätvärden efter installationen också. När övriga mätningar genomfördes på de andra cisternerna under rapportens arbete kunde inte mätningar på
LV-cisternerna göras. Det gjorde att det fanns två okända variabler i energibalansen efter installationen och beräkningsverktyget kunde inte heller genomföra beräkningarna, därmed kunde inte resultatet på energibesparingen bestämmas.
5. Objektsbeskrivning
Södra Cells massabruk i Mönsterås, där beräkning av energiförlust genom avdunstning genomförts, tillverkar kemisk pappersmassa genom
sulfatprocessen. Träflisen som tillsätts i kokeriet blandas med en kokvätska som huvudsakligen består av LV, vilken löser upp ligninet för att frilägga cellulosafibrerna. Därefter tvättas, bleks och torkas massan innan den skärs i ark som pressas samman och emballeras. Restprodukten från kokeriet, som innehåller kokkemikalier och vedrester, kallas LT. Den förs vidare till lutcykeln där det lösta organiska materialet förbränns för att få energi och kemikalierna kan återvinnas för att luten ska kunna återföras till kokeriet. Lutcykeln är uppdelad i fyra steg, kokning, indunstning, sodapannan och kausticeringen. [36] Följande beskrivning av processen är specificerad för Södra Cells massabruk i Mönsterås, se Figur 5.
Figur 5: Flödesschema över lutcykeln i Mönsterås massabruk. Träflis och LV tillsätts i kokaren för att framställa pappersmassa. Restprodukten från kokaren blir LT som används för att återbilda LV. Sulfatprocessen består av de fyra stegen kokning, indunstning, sodapannan och kausticeringen som sträcker sig från LG-filter till LV-filter.
Kokningen på massabruket sker kontinuerligt och anläggningen består av tre ångfaskokare med varsitt tillhörande impregneringskärl. Innan flisen tillsätts till kokarna basas den vid cirka 120 oC och därefter tillsätts LV i
impregneringskärlet för att flisen ska ta åt sig vätskan. När impregneringen är genomförd förs flisen till kokarna, där de kokas i cirka 170 oC. Från kokarna separeras cellulosan från den bildade lutresten LT som innehåller det lösta ligninet från veden. Bruket har två indunstningsparker bestående av
sex indunstare vardera. Efter slutindunstningen har TS höjts till 78 % och kallas LTJS. Därefter går LTJS vidare till sodapannan där förbränning sker. [37], [38]
Sodapannans botten har två smältlösare där LS tillsätts för att lösa upp smältan och bilda LG, vars temperatur är cirka 95 oC när den lämnar smältlösaren och går till kausticeringsprocessen. Kausticeringsprocessen innehåller flertalet cisterner där lut förvaras mellan olika delsteg och det är avdunstningsförlusterna ur dessa som har undersökts. Temperaturen på luten i dessa cisterner ligger mellan 90–100 oC. [39]
LG går först in i utjämningscisternen, som håller 95 oC, och därefter renas från det slam som bildats vid smältlösningen, vilket görs genom fyra parallella kasettfilter. Lutresterna som samlas på filtren kan återföras till lutcykeln som LS när dessa tvättas. [19] Efter att luten passerat två LG-cisterner med temperatur på 91 oC når luten ett expansionskärl där luten kyls. Efter kylningen ska LG ha en temperatur på 85 oC för att temperaturen inte ska nå kokpunkten när de exoterma reaktionerna i kommande steg sker. Kylvattnet som värms upp vid lutkylningen får en temperatur på cirka 50 oC och används som tvättvatten till LV-filter och mesafilter.
CaO tillsätts i kalksläckaren som reagerar med vattnet i luten och
kalciumhydroxid, Ca(OH)2 bildas. Från kalksläckaren går luten i en serie av kausticeringskärl, serie A består av tre seriekopplade kärl och serie B består av fyra seriekopplade kärl. I och med de exoterma reaktionerna som sker i samband med deras ångförlust håller kärlen en temperatur nära
100 oC från kalksläckaren, genom kausticeringskärlen och in till kalkmjölkcisternen. Genom reaktionerna har mesa och LV bildats då kokkemikalien NaOH har återbildats. Mesan behöver därefter klarnas från vätskan, vilket sker genom att LV flödar genom tre filter som fångar upp mesan när mediet passerar. För att lossa mesan från filtren, skapas ett undertryck genom att flödet av LV stoppas och gör att luten dras baklänges. Mesan sjunker då till botten och kan tas ut för att tvättas i mesafilter och lutrester kan återföras till smältlösaren som LS. Resterande mesa går till mesacykeln där CaO återbildas. [21], [40]
Efter att LV renats flödar den till LV-cistern 3–5. I en av cisternerna kan en temperatur på 93 oC avläsas och därmed har samma temperatur antagits i de tre cisternerna då det finns ett öppet flöde mellan dem. I dessa lagras LV tills den återförs till kokarna. Från de tre cisternerna går ett delflöde till LV-cistern 1, som även den används för att lagra lut. Delflödet är betydligt mindre än till kokeriet men cisternens volym och därmed innehåll av lut är större än de flesta andra cisterner. Från LV-cistern 1 kan även LV övergå i en LS-cistern för att undvika att LV-cisternerna blir överfulla.
I september 2018 installerades tre stycken över- och undertrycksventiler på LV-cisternerna 3–5 med syftet att minska avdunstningsförlusterna,
se Figur 6. Ventilerna fungerar som en enklare variant av en ”breather valve”, se kapitel 6.1 Breather Valve, som är till för att kompensera för tryckförändringar i cisternerna. Ifall ett övertryck skapas kan en lucka öppnas och släppa ut fuktig luft medan om undertryck uppstår öppnas en annan lucka för att ta in luft. Vid atmosfärstryck i cisternen är luckorna stängda och ingen avdunstningsförlust sker. Sedan ventilerna installerats kan inte temperaturen och gasflödet uppmätas då provuttag inte finns som på de andra cisternernas rör, vilket gör det svårt att uppskatta vinningen från installationen. Vad som noterats av Södra är att gasflödet ut från cisternen idag är lägre än tidigare. Dock är det oklart hur länge ångan stannar i röret när den inte släpps ut och därmed kyls ner genom värmeöverföring innan kondensen återförs till cisternen. Värmeöverföringsförlusten bör vara förhållandevis liten jämfört med energiförlusten som annars sker genom avdunstning, men är ändå en relevant faktor om energivinningen ska beräknas.
Figur 6: Installerade över- och undertrycksventiler på tre LV-cisterner. Till vänster kan ses hur en lucka kan öppnas och släppa ut fuktig luft vid
övertryck, och till höger hur en lucka kan öppnas inåt och släppa in luft vid undertryck.
6. Energibesparande åtgärder
För att minska energiförlusten genom avdunstning från cisterner i kausticeringsprocessen kan olika åtgärder implementeras. Några av de möjligheter som finns beskrivs i följande kapitel.
6.1. Breather Valve
En möjlighet att minska avdunstningsförlusterna är att blockera rörets mynning för att den fuktiga luften inte ska ha ett öppet flöde. Dock måste det finnas ett sätt att jämna ut de över- och undertryck som kan bildas i cisternerna. Skulle inflödet av lut i en cistern öka medan utflödet inte
förändras, stiger nivån i tanken och även trycket, eftersom gaser fortsätter att avdunsta. Vid motsatt scenario, att utflödet ökar och nivån sjunker, innebär det mindre mängd avdunstad gas från luten och ett vakuum skulle kunna uppstå. En lösning är en ”breather valve” som låter luft strömma in vid undertryck och släpper ut gas vid övertryck, enligt Figur 7. Vid
atmosfärstryck i cisternen är den stängd och ingen ånga släpps ut. Justering kan även ske på ”breather valve” för att ett visst tryck ska behöva uppstå i cisternen innan den öppnas för att tryckutjämna. [24]
Lösningar av denna typ har till uppgift att minska avdunstningsförlusterna, men ändå vara tillräckligt ventilerade för att undvika att cisternerna brister eller imploderar vid för stora tryckskillnader. Installeringen gör att
energiförlusten från en cistern minskar och energin till större del bevaras i systemet. [24]
Figur 7: Till vänster ses hur en "breather valve" släpper ut gaser till följd av ett bildat övertryck i cisternen, och till höger tar in luft vid bildat
6.2. Organic Rankine Cycle
Massabruk har flera energikällor där en av de viktigaste för elproduktionen är sodapannans högtrycksånga med ett tryck runt 60–80 bar.
Högtrycksångan låts expandera genom en turbin, antingen en kondensturbin eller en mottrycksturbin, som är kopplad till en generator som producerar elektricitet. Ångans tryck sänks medan den expanderar i turbinen och när den därefter kyls ned i en kondensator kan ångans resterande värme tas upp och tillföras till fjärrvärmenätet. Processen med en turbin och kondensator kallas för en rankinecykel. [41]
För att energieffektivisera bruket kan även överskottsvärme som vanligtvis inte nyttjas, användas för att driva turbiner. Ångcykeln behöver dock
utformas på ett annorlunda sätt för att fortsätta vara effektiv vid värmekällor som har betydligt lägre tryck och temperatur än högtrycksångan från
sodapannan. För en fortsatt elproduktion kan cykelns arbetsmedium bytas ut från vatten till en fluid vars förångningstemperatur är lägre. Lämpligt att använda är då organiska fluider, som kolväten, ammoniak (NH3) eller koldioxid. Processer vars ångcykel drivs med organiska fluider kallas för ORC, Organic Rankine Cycle. [41]
Kemiska massabruk har flertalet cisterner som innehåller lut med en temperatur strax under 100 oC. Från luten sker avdunstning där ångorna vanligtvis låts strömmas ut genom en skorsten och inte nyttjas.
Avdunstningsångorna har hög fukthalt och ett relativt konstant flöde av ångor. Vid en ORC kan avdunstningsångornas värme användas i en värmeväxlare för att höja temperaturen på arbetsmediet som förångas och sedan drivs genom en turbin för att generera elektricitet. Efter turbinen kondenserar mediet och förs tillbaka till värmeväxlaren för
återuppvärmning. [41]
Val av köldmedium är en kritisk faktor för effektiviteten i ORC, där faktorer som dess koktemperatur, toxicitet och kemiska stabilitet spelar stor roll. [42] Från cisternerna i det undersökta massabruket förloras ånga som har en temperatur på 67–95 oC. Enligt en modellering som gjorts utav Lakew och Bolland (2010), jämfördes olika köldmedium vars värmekällor varierade mellan 80–200 oC. Resultatet visade att för en värmekälla på 80 oC ger köldmediet R227ea bäst effekt. Turbinen visades under dessa förhållanden kunna producera en effekt på 160 kW. [43]
6.3. Fjärrvärme
Energianvändningen i ett hushåll inkluderar hushållsel, uppvärmning och varmvatten. Vanligaste uppvärmningssättet i Sverige är via fjärrvärme som står för över hälften av all uppvärmning. Fjärrvärmen kan produceras utifrån värmeresurser som annars förloras, exempelvis som vid produktionen av
elektricitet. Ångan som används för att driva turbinen expanderar för att därefter kylas ned i en kondensator. Kondensatorn fungerar som en stor värmeväxlare som nyttjar den resterande värmen genom att värma upp fjärrvärmevattnet som sedan används för uppvärmning i hushåll.
Medeltemperaturen som levereras ut på fjärrvärmenätet varierar mellan 70–100 oC, beroende på årstid. [44] Massabruk som arbetar för att bli mer energieffektiva kan försöka nyttja fler energikällor som finns på bruket för att producera fjärrvärme.
Södra Cells massabruk i Mönsterås producerar fjärrvärme som representerar uppvärmningen för 20 000 villor. 2019 sålde bruket totalt 150 GWh
fjärrvärme till Mönsterås och en närliggande anläggning som ägs av Södra Wood. [15]
7. Resultat
Resultatet från de mätningar och beräkningar som har genomförts under arbetets gång för att beräkna energin i avdunstningsförlusterna i
kausticeringsprocessen på massabruket i Mönsterås presenteras i detta kapitel. Det konstruerade verktyget presenteras tillsammans med de beräknade energiförlusterna från cisternerna och var dessa sker. Kapitlet innefattar även hur avdunstningsförlusterna kan minskas samt hur den potentiellt sparade energin kan användas i massabruket. Vid beräkning av den förlorade energin från cisternerna har det antagits att ångflödena ur cisternerna är konstanta, samt att skorstenarna inte tar in luft utan endast har ett konstant utflöde av fuktig luft.
7.1. Mätdata
Uppmätt data från cisternerna redovisas i Tabell 1. Som kan utläsas ur tabellen har kausticeringskärlen i båda serierna och kalkmjölkscisternen den högsta cisterntemperaturen. Den höga temperaturen beror på de exoterma reaktioner som sker när CaO tillsätts i kalksläckaren, vilket leder till ökad temperatur på luten. Högst dynamiskt tryck hade kausticeringskärl serie A och kalkmjölkscisternen, som kan kopplas till deras rördiameter. En mindre rördiameter ökar både det dynamiska trycket och flödeshastigheten på ångorna. Den våta och torra temperaturen var antingen densamma eller skiljde sig åt 1 °C, med ett undantag för kalksläckaren.
Tabell 1: I fält uppmätta temperaturer, dynamiskt tryck och rördiameter på cisternernas ångor i kausticeringsprocessen. Cisterntemperaturerna är avlästa från temperaturgivare i cisternen eller uppskattade utifrån närmsta givare, samtliga från Smart Client.
Torr temp. (°C) Våt temp. (°C) Cistern-temp. (°C) Dynamiskt tryck (Pa) Diameter (m) Utjämningscistern 88 88 95 40 0,250 LG-cistern 1 90 90 91 40 0,250 LG-cistern 2 86 85 91 20 0,250 Kalksläckare 70 67 99 20 0,600 Kaustkärl, serie A 86 85 100 60 0,200 Kaustkärl, serie B 93 92 100 30 0,350 Kalkmjölkscistern 95 95 100 68 0,350 LV-cistern 1 89 88 93 25 0,400
7.2. Beräkningsverktyg
Metoden för att beräkna avdunstningsförlusterna från cisternerna utvecklades i Excel. I beräkningsverktyget hanteras ångförlusterna som fuktig luft, vilket innebär att de innehåller både luft och vattenånga. Därmed separeras vattenånga och luften var för sig vid beräkningarna, då
komponenterna har olika egenskaper. Uppmätt mätdata på torr-, våt- och cisterntemperatur, dynamiskt tryck och rördiameter förs först in i verktyget. Vattnets mättnadstryck och ångbildningsentalpi är värden som avläses från tabell då de är temperaturberoende. Dessutom behöver tryck och R-värden för luft och vatten föras in i verktyget, vilka kan antas vara konstanta. Vattenångans densitet, luftens densitet och luftens värmekapacitet beräknas av verktyget utifrån tabellvärden. Utifrån data och tabellvärden beräknas flöde, entalpi och effektförluster. Vattenångan och luften hålls separerade för att i slutet summeras till en total effektförlust för cisternerna. Verktygets struktur tillsammans med ett exempel där utjämningscisternens effektförlust beräknas kan ses i Figur 8. För formler som användes för
beräkningsverktyget, se Bilaga 1, för hela beräkningsverktyget med samtliga cisterners data, se Bilaga 2.
Figur 8: Beräkningsverktygets konstruktion och ett exempel på hur
verktyget beräknar effektförlusten för utjämningscisternen utifrån uppmätt data och tabellvärden.
7.3. Energiförluster från avdunstning
Utifrån de uppmätta värdena beräknades massflödet för ångan från varje cistern med respektive entalpi, vilket ledde till att energiförlusterna ur
cisternerna kunde bestämmas. De beräknade energiförlusterna, som kan ses i Tabell 2, blev störst i kalkmjölkscisternen på 1,58 MW och LV-cistern 1 på 0,97 MW och minsta energiförlusten beräknades vara från LG-cistern 2 på 0,30 MW. Den totala energiförlusten genom avdunstning från cisternerna i kausticeringsprocessen har därmed beräknats till 6,01 MW. Dock är inte förlusten från de tre LV-cisternerna där över- och undertrycksventiler installerats inkluderad i den totala energiförlusten, då inga mätvärden anskaffades på ångorna. För fullständiga beräkningar till Tabell 2, se Bilaga 2.
Tabell 2: Beräknade värden på avdunstningsförlusternas massflöden, entalpier och energiförluster från cisternerna i kausticeringsprocessen.
Ångflöde (kg/s) Luftflöde (kg/s) Entalpi ånga (kJ/kg) Entalpi luft (kJ/kg) Energi-förlust (MW) Utjämningscistern 0,20 0,16 2270 89 0,48 LG-cistern 1 0,22 0,16 2280 91 0,51 LG-cistern 2 0,13 0,14 2280 87 0,30 Kalksläckare 0,35 1,25 2260 71 0,88 Kaustkärl, serie A 0,14 0,15 2257 87 0,33 Kaustkärl, serie B 0,41 0,19 2257 94 0,95 Kalkmjölkscistern 0,69 0,22 2257 96 1,58 LV-cistern 1 0,41 0,33 2275 90 0,97 Totalt 6,01
När avdunstningsångorna befinner sig i skorstenen sker värmeöverföring till röret som resulterar i en negativ entalpiförändring för den fuktiga luften. Det innebär att om den fuktiga luften fångas in vid rörets mynning har den förlorat energi till omgivningen på grund av värmeöverföringen under tiden i röret. Det är förväntat att en större energiförlust genom värmeöverföring sker i de rör som är längre och har större rördiameter, då kontaktytan till omgivningen är en viktig faktor i hur mycket värmeöverföring som sker. Flera av cisternerna hade sitt utflöde cirka två meter ovanför cisternernas tak. Dock hade utjämningscisternen, kalksläckaren, båda serierna
kausticeringskärl och kalkmjölkcisternen sina utlopp betydligt längre ifrån cisternen, se exempel i Figur 4, kapitel 4.1. Mätningar på cisterner. Avdunstningsångorna från dessa cisterner har därför färdats en längre sträcka i röret och därmed bör mer värmeöverföring ske. Den förlorade energin genom värmeöverföring ingår i den totala energiförlusten i Tabell 2, eftersom den energi som förloras genom värmeöverföring även förloras från systemet om den fuktiga luften lämnar cisternen.
Utifrån de beräknade energiförlusterna och minst ett känt massflöde från flödesindikatorer på massabruket har energibalanser över de enskilda cisternerna ställts upp, se Tabell 3. Utifrån det kända massflödet och energiförlusten beräknades det saknade energiflödet. I Tabell 2 kan ses att energiförlusterna som sker i form av avdunstning är relativt små i
förhållande till energiflödet genom processerna. I energibalanserna är både LG-cistern 1–2 och kausticeringskärl serie A och B hopslagna. Detta på grund av att det saknades volymflöden för de enskilda cisternerna och därför hanteras dem som en komponent. För fullständiga beräkningar, se Bilaga 3.
Tabell 3: Beräknad energibalans för respektive cistern i kausticeringsprocessen. Energi in (MW) Energi ut (MW) Energi förlorad (MW) Utjämningscistern 44,89 44,41 0,48 LG-cistern 1–2 37,58 36,77 0,81 Kalksläckare 42,76 41,88 0,88
Kaustkärl, Serie A & B 43,35 42,07 1,28
Kalkmjölkscistern 43,35 41,77 1,58
LV-cistern 1 17,86 16,89 0,97
LV-cisterner 3–51 50,05 49,17 0,88
1Energibalans utifrån massflöden från Smart Client år 2018.
Utjämningscisternen är första steget i kausticeringsprocessen och har ett inflöde av LG på 44,89 MW som kommer direkt från sodapannan.
LV-cisternerna 3–5 har det största inflödet av energi på 50,05 MW eftersom de även återfår lut från LV-cistern 1. Beräkningarna från LV-cisternerna 3–5 är inte data från samma tidpunkt som resterande data, utan kommer från 2018, innan över- och undertrycksventiler på skorstenarna installerades. Den förlorade energin på 0,88 MW antas i dagsläget därmed inte vara lika stor, vilket gör att den utgående energin förmodligen är större än 49,17 MW. Energibalanserna diskuteras vidare i kapitel 8.1. Avdunstningsförlusterna.
7.4. Energibesparande lösningar
Tre lösningar för att minska avdunstningsförlusterna har presenterats i kapitel 6. Energibesparande åtgärder. En av dessa är ”breather valve”, som tidigare installerats på LV-cistern 3–5. Lösningen har som mål att minimera avdunstningsförlusterna och därmed spara energi, dock kommer en viss värmeöverföring från gasen till omgivningen att ske oavsett. I och med att inga mätningar eller annan data kunnat tas ut på energivinningen i denna installation har inte energibesparingen kunnat beräknas utan måste undersökas vidare för att besluta energivinningen i den. Energivinningen från installationen kan också variera mellan olika massabruk eftersom de
kan ha olika rördiameter, andra cisterntemperaturer eller andra faktorer som kan påverka resultatet.
Om ”breather valve” installeras på cisternerna kommer energiflödet i kausticeringen att vara högre än det är idag. För att det ska vara lönsamt behöver den besparade energin ha ett användningsområde. Vilka
användningsområden som kan finnas på det undersökta massabruket diskuteras i kapitel 8.2. Vad kan den besparade energin användas till? De andra lösningarna går ut på att samla in ångan från gaserna och antingen anknyta dem till det redan befintliga fjärrvärmesystemet, eller att nyttja dem i en Organic Rankine Cycle som kan producera elektricitet. Hur mycket energi som kan tas till vara på genom detta sätt har inte undersökts vidare då dessa lösningar kräver större ombyggnationer på det undersökta
