AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ
Avdelningen för bygg-, energi- och miljöteknik
Effektförlustutredning
Effektförlustutredning av en mindre sodapanna tillhörande ett medelstort massabruk, en fallstudie.
Carl Drewes
2020
Examensarbete, Grundnivå (kandidatexamen), 15 hp Energisystem
Energisystemingenjör, Co-op
Handledare: Hans Wigö Bitr. handledare: Anders Frisk
Examinator: Abolfazl Hayati
Sammanfattning
Industrisektorn står för omkring 38 procent av Sveriges totala energianvändning. Av de 38 procenten står pappers- och massaindustrin för omkring hälften av all energianvändning.
Eftersom industrin är en omfattande del gällande energianvändningen är det viktigt att åtgärder utförs för att hålla energianvändningen så låg som möjligt. I detta examensarbete utförs en fallstudie gällande ett problem med en sodapanna som tillhör Stora Ensos massabruk i Skutskär. Problematiken med sodapannan är att den inte når upp i den temperaturen på utgående ångan som sodapannan designades för vilket gör att verkningsgraden blir lidande.
Problemet med sodapannan är inte hållbart både sett till energianvändning eller ekonomi.
Sodapanna 6 (SP6) som den kallas är en av två sodapannor som tillhör massabruket. Båda sodapannorna är designade för att producera högtrycksånga vid 56 bar och 450°C.
Högtrycksångan som produceras går via en mottrycksturbin där trycket sänks till
arbetstrycken för resterande fabriken samtidigt som el produceras. Ånga vid lägre temperatur medför lägre entalpi vilket i sin tur kommer att påverka elproduktionen i motrycksturbin.
Syftet med studien är att kvantifiera förlusten i elproduktion som den bristande
ångtemperaturen av SP6 orsakar. Utöver det är syftet även att utreda orsaker till den bristande värmeöverföringen där målet är att lokalisera problemområdet.
En litteraturstudie utfördes gällande effektivitet kring sodapannan varvid mycket tyngd lades på överhettarens samt sotningens funktion. Överhettaren står för omkring 30 procent av all värmeöverföring i en sodapanna och är direkt avgörande för att nå sluttemperaturen på ångan.
I litteraturstudien studeras bland annat utformning och försmutsning av överhettaren för att se hur det påverkar värmeöverföringen. Vidare studeras sotningens påverkan på
värmeöverföringen och även den påverkar i stor grad den slutgiltiga värmeöverföringen.
Metoden som används för att genomföra studien är framförallt dataanalys. Massabrukets interna analyseringsprogram WinMops används tillsammans med Excel för att kunna analysera driftdata. Först utreddes storleken på problemet med hjälp av att beräkna hur stor påverkan SP6 bristande ångtemperatur har på den totala entalpin på ångan som når turbin.
Beräkningar utfördes för elproduktion vid normalfall och vid påverkan av SP6 varvid
skillnaden betraktades som den förlorade elproduktionen. När problemets storlek var fastställt började utredningen kring orsaker till bristande värmeöverföring varvid överhettaren hamnade i fokus.
Studiens resultat visar att SP6 bristande ångtemperatur orsakar en elproduktionsförlust som motsvarar 7 miljoner kronor ett normalår och ett år med lågt elpris rör det sig om 3 miljoner kronor. Gällande den andra utredningen är det med stor sannolikhet överhettaren som orsakar temperaturfallet. Däremot visar studien att överhettaren inte har någon mindre
värmeöverförande yta i förhållande till den andra sodapannan samt att värmeöverföringstalet är inte heller avvikande. Överhettaren visar en antydan på försmuttning samtidigt som sotångflödet är något lägre på SP6 till skillnad från brukets andra sodapanna. Intressant fenomen som dyker upp i studien är att tertiärluftflödet tenderar att ha en större påverkan på SP6 utgående ångflöde än förväntat.
Nyckelord:
Sodapanna, pappersmassatillverkning, ångproduktion, värmeöverföring, överhettare, panneffektivitet, elproduktion.
Abstract
The industrial sector in Sweden stands for 38 percent of the total energy use. Within these 38 percent the pulp and paper industry stand for about half of the energy use. Due to the extent of the energy use it is important that we do what we can to keep the energy usage as low as possible within our industries. In this bachelor thesis a case study is performed regarding a problem with a recovery boiler which belong to one of Stora Ensos pulp mills in a small town called Skutskär in Sweden. The problem with the recovery boiler is that it does not reach the temperature of the outgoing steam for which the soda boiler was designed, which causes the efficiency to suffer. The problem with the recovery boiler is not sustainable either in terms of energy use or economy. Recovery boiler 6 (RB6) as it is called is one of two recovery boilers belonging to the pulp mill. Both boilers are designed to produce high pressure steam at 56 bar and 450°C. The high-pressure steam produced goes through a back-pressure turbine where the pressure is lowered to the working pressure of the remaining factory while electricity is produced. Steam at a lower temperature results in lower enthalpy, which in turn will affect the electricity generation in the back-pressure turbine. The purpose of the study is to quantify the loss in electricity generation caused by the lack of steam temperature of RB6. As well as investigating the causes of the lack of heat transfer where the goal is to locate the problem area.
A literature study was conducted regarding the efficiency of the recovery boiler, where much emphases was placed on the function of the superheater and the soot system. The superheater accounts for about 30 percent of all heat transfer in a recovery boiler and is directly crucial for reaching the final temperature of the steam. In the literature study, among other things, the design and fouling of superheater is studied to see that if affects the heater transfer. Further, the soot system effect on the heat transfer is also studied and it shows that the soot system has a greatly influence of the final heat transfer.
The method used to conduct the study is primarily data analysis. The pulp mills internal analysis program WinMops is used in combined with Excel to analyze operational data. First, the magnitude of the problem was investigated by calculating the effect of RB6’s lack of steam temperature on the total enthalpy of the steam reaching the turbine. Calculations were made for electricity generation in normal cases and under the influence of RB6, where the difference was considered as lost electricity generation. Once the size of the problem was
determined, the investigation of causes of heat transfer began, with the superheater coming into focus.
The results of the case study show that RB6’s lack of steam temperature causes a loss of electricity production equivalent to 7 million SEK in a normal year and a year with a low electricity price, this amount to 3 million SEK. Whit regard to the second investigation, it is very likely that the superheater causes the temperature drop. However, the study shows that the superheater has no smaller heat transfer surface in relation to the other recovery boiler and that the heat transfer rate is also not deviant. The superheater shows a hint of fouling at the same time as the flow of soot steam is slightly lower on RB6, unlike the mill’s other recovery boiler. An interesting phenomenon that emerges in the study is that the tertiary air flow tends to have a greater effect on RB6 outgoing steam flow than expected.
Keywords:
Recovery boiler, pulp production, steam production, heat transfer, super heater, boiler efficiency, steam production.
Förord
Detta examensarbete är utfört av Carl Drewes efter avslutade studier på
energisystemingenjörsprogrammet på Högskolan i Gävle (HiG). Under studietiden har jag praktiserat hos Stora Enso i Skutskär varvid även examensarbetet är utfört. Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare, Hans Wigö från HiG och Anders Frisk från Stora Enso, som stöttat mig genom arbetet. Jag vill även passa på att tacka övrig personal på Stora Enso som varit behjälpliga under arbetets gång och för visat förtroende.
Ett stort tack till Kristian Rosenqvist på sodahuskommittén som bidrag med mycket värdefulla tankar och idéer under planeringsstadiet.
Beteckningar
tTS ton Torrsubstans [%]
m̊ massflöde [t/h]
V̊ volymflöde [m3/h]
𝜌 densitet [kg/m3]
H specifik entalpi [kJ/kg]
E energi [kWh]
P effekt [kW]
K värmeöverföringstal [W/m2.K]
T temperatur [°C]
A area [m2]
h tid [timme]
𝜂𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑠𝑘 isentropisk verkningsgrad [%]
𝜂𝑚𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑠𝑘 mekanisk verkningsgrad [%]
HT-nätet högtrycksnätet
MT-nätet mellantrycksnätet
LT-nätet lågtrycksnätet
SP7 sodapanna 7
SP6 sodapanna 6
BP5 barkpanna 5
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.1.1 Problemformulering ... 1
1.1.2 Globala hållbarhetsmålen ... 1
1.1.3 Stora Enso/Skutskärsbruk ... 2
1.1.4 Massaframställning ... 2
1.1.4.1 Vedhantering……… 2
1.1.4.2 Kokning……… 3
1.1.4.3 Tvätt och Sileri……… 4
1.1.4.4 Torkning……….. 4
1.1.5 Kemikalieåtervinningen ... 5
1.1.5.1 Indunstning……… 5
1.1.5.2 Sodapannan……….. 6
1.1.5.3 Vitlutsberedning……… 7
1.1.6 Ång- och vattensystemet ... 7
1.1.7 Sotning ... 9
1.1.8 Elproduktion ... 10
1.1.9 Kemiska processer i sodapannan ... 11
1.2 Litteraturstudie ... 13
1.3 Syfte ... 20
1.4 Förfarande ... 20
2 Teori ... 21
2.1 Elproduktion ... 21
2.2 Sodapanna 6 (SP6) ... 22
3 Metod ... 23
3.1 Förlorad elproduktion ... 23
3.2 Lastutredning ... 24
3.3 Värmeöverföring ... 25
3.3.1 Överhettarens dimensionering ... 25
3.3.2 Försmutsning av överhettaren ... 26
3.3.3 Övriga orsaker till bristande värmeöverföring ... 26
4 Resultat ... 27
4.1 Förlorad elproduktion ... 27
4.2 Lastutredning ... 28
4.3 Värmeöverföring ... 28
4.3.1 Överhettarens dimensionering ... 28
4.3.2 Försmutsning av överhettaren ... 29
4.3.3 Övriga orsaker till bristande värmeöverföring ... 31
5 Diskussion ... 33
6 Slutsats ... 37
Referenser ... 38
Bilagor ... 40
Bilaga 1 ... 40
Bilaga 2 ... 40 Bilaga 3 ... 41 Bilaga 4 ... 41
1
1 Inledning
Industrisektorn står för omkring 38 procent av Sveriges totala energianvändning. Av de 38 procenten står pappers och massaindustrin för omkring hälften av all energianvändning [1].
Med tanke på detta är det viktigt att vi strävar efter en så effektiv energianvändning som möjligt i våra industrier. Detta eftersom hållbarhetsarbetet är en viktig del av dagens samhälle och hållbarhet kommer att ha en stor betydelse i framtidens projekt. Inom högskolan i Gävle ligger fokus på att jobba mot ett mer hållbart samhälle, där målet är att utveckla och sprida ny kunskap kring detta. Högskolan i Gävle förhåller sig till och påverkas av de externa
styrdokument såväl som interna styrdokument [2]. Vid slutförandet av arbetet kommer appliceringen till de globala hållbarhetsmålen att diskuteras.
1.1 Bakgrund
I bakgrundsavsnittet behandlas bland annat problemet, hållbarhet, information kring Stora Enso och Skutskärsbruk, hur massaframställningen ser ut samt viktiga tekniska områden som berör sodapannan.
1.1.1 Problemformulering
Detta examensarbete handlar om en utredning gällande en av sodapannorna (SP6) som tillhör Stora Ensos massabruk i Skutskär. Problematiken med SP6 är att temperaturen på utgående ånga inte når upp till 450°C som pannan en gång i tiden designades för (se bilaga 1).
Dessvärre sträcker sig problemet långt bak i tiden vilket gör att det inte går att finna ett konkret tillfälle då problemet uppstod. Massabrukets två sodapannor samt biopannan står tillsammans för hela ångproduktionen. Producerade ångan är av största vikt för funktionen av resterande fabriken samtidigt som den även används för elproduktion. I detta fall när den ena sodapannan inte levererar den ångtemperatur som de övriga pannorna gör resulterar det i en lägre temperatur på den gemensamma ångan som går till turbinen. Detta leder i sin tur till minskad elproduktion och försämrad självförsörjningsgrad samtidigt som sodapannans effektivitet blir lidande.
1.1.2 Globala hållbarhetsmålen
I detta arbetet kommer kopplingar att utföras till de globala målen för att analysera hur detta arbetet påverkar den hållbara utvecklingen. De 17 stycken globala målen är en åtgärds som regeringen tog fram i samband med Agenda 2030 där målet är att främja en hållbar utveckling
2 globalt. De huvudsakliga målen med Agenda 2030 och de globala målen är att dels bekämpa fattigdom, förhindra klimatpåverkan samt främja tryggare samhällen. I detta examensarbetet berörs i huvudsak tre stycken mål som är ”hållbar energi för alla”, ”hållbar industri” samt
”hållbar konsumtion och produktion”. Vidare hur examensarbetets ämnesområde förhåller sig till dessa tre mål diskuteras vidare i diskussionsavsnittet [21].
1.1.3 Stora Enso/Skutskärsbruk
Stora Enso är en global leverantör inom papper, träprodukter, biomaterial samt förpackningar.
Stora Enso Skutskärsbruk grundades 1896 och har en målsättning av att ersätta alla icke förnybara material i deras produkter, detta genom att hela tiden arbeta med att utveckla nya produkter samt tjänster som bygger på trä och andra förnybara resurser så som biomassa.
Företaget har omkring 26 000 medarbetar i mer än 30 olika länder. Omsättningen nådde drygt 10 miljarder EUR under år 2019 [4]. Stora Ensos bruk i Skutskär tillhör biomaterialdivisionen och är ett pappersmassabruk med rötter från långt bak i tiden. Idag däremot är Skutskärs massafabrik en högteknologisk och modern arbetsplats där fokus ligger på effektivitet i produktionen samt med hänsyn till brukets närmiljö. Skutskärs bruk är ett av de större
pappersmassabruken i Sverige, bruket har ca.400 anställda och producerar årligen 550 000 ton pappers- och fluffmassa. Massan säljs både nationellt och internationellt varav kunderna använder massan till bland annat, grafiskt finpapper, kartonger, airlaidprodukter och
hygienartiklar [5]. Omsättningen för Skutskärsbruk uppgick till omkring 2 miljarder SEK år 2018.
1.1.4 Massaframställning
I detta avsnitt redogörs för hur tillvägagångsättet kan se ut vid framställningen av pappersmassa vid ett normalt massabruk.
1.1.4.1 Vedhantering
Första steget i massaframställningen är vedhanteringen. Rundveden anländer till bruket vanligtvis med lastbil. Rundveden spolas först av med varmvatten för att dels tina veden om den är frusen men även för att få bort grus och annat som fastnat i veden. Rundveden barkas sedan av i stora barktrummor. Barktrummorna roterar vilket gör att barken lossnar från rundveden när de dels slår emot varandra samt när det gnids mot trummans roterande vägg.
Barken som lossnar från veden används som bränsle i barkpannan [6][7].
3 Den nu avbarkade veden går sedan till en huggmaskin och ett sållnings steg där veden först huggs till flis och sedan sållas för att flisen ska ha en så jämn storlek som möjligt. Flisen lagras sedan i stackar, markfickor eller i silos innan den transporteras till kokningssteget med hjälp av skruvar och transportörer [6][7].
1.1.4.2 Kokning
Det finns två typer av kokning, batchkokning eller kontinuerlig kokning. Batchkokning innebär att man kokar satsvis. Man fyller kokaren med vitlut, svartlut och flis varav denna koksats dras av med hjälp av silar och sedan cirkuleras runt via en ångvärmeväxlare tillbaka till kokaren. Ångvärmeväxlaren används för att värma upp koksatsen till rätt temperatur, där temperaturen varierar beroende av vilken massatyp man ska framställa. När kokningen är färdig tömmer man koksatsen via en bottenventil och blåser den till en tank som man kallar för blåstank. När detta är gjort kan man fylla kokaren på nytt och börja om kokningsprocessen [6][7].
Den andra typen av kokning är den kontinuerliga kokningen och då sker denna process kontinuerligt. Vitlut och flis fylls på kontinuerligt i kokaren och den färdiga koksatsen blåses till blåstanken. Själva processen för en kontinuerlig kokning skiljer sig lite från
batchkokningen. För att värma kokaren används värmeväxlare och silar eller ånga. Dessa två uppvärmningssätt används på olika vis. Sker uppvärmningen med ånga tillförs man den direkt i kokarens topp. Det andra uppvärmningssättet med användningen av värmeväxlare och silar så sker uppvärmningen cirkulationsvis. För att avbryta kokningsprocessen, vilket är processen för att frigöra ligninet ur flisen, använder man sig av ett efterföljande tvättsteg.
Kokningsprocessen avbryts genom att en kallare vätska tillförs i form av lut, denna lut kommer ifrån det efterföljande tvättsteget. Tvättsteget fungerar som så att man tillför tvättvätska i kokarens botten och denna tvättvätska stiger sedan genom kokaren och tränger undan den varma luten som man sedan drar av via en sil till en cyklon. I cyklonen råder det undertryck vilket innebär att luten avger ånga till cyklon och ångan leds sedan tillbaka till ett basningskärl som används för att förvärma och basa flisen innan den tillförs kokaren. Basning genomförs för att få ur luften ur flisen för att göra det enklare för kokvätskan att tränga in i flisen. Även ett impregneringssteg, där kokvätskan tillförs flisen utförs innan flisen når kokaren i ett separat kärl [6][7].
Kappatal är det mått som används vid kokning av massa och kappatalet skiljer beroende på massakvaliteter. För att nå det eftersträvade kappatalet styrs kokningen genom bland annat
4 temperatur, koktid och mängd tillfört alkali. För massabruk som bleker sin massa eftersträvas att ha så lite lignin kvar i massan som möjligt vilket även innebär ett lågt kappatal.
Anledningen till detta är av miljö- såväl som ekonomiska skäl då förbrukningen av blekkemikalier blir lägre vid låga kappatal [6][7].
1.1.4.3 Tvätt och sileri
Nästa steg som massan når efter kokningen är ett tvätt- och silningssteg. Massan genomgår tvätt och sileri innan den bleks eftersom det är viktigt att massan är ren från lut. Renare massa medför högre kvalitet och även en lägre åtgång på blekkemikalier vilket resulterar i lägre miljöpåverkan. Tvättningen av massan kan ske på flera olika sätt och det finns flera olika tvättapparater att tillgå. Om man använder batchkokning är trumfilter en vanlig tvättapparat.
Andra varianter av tvättapparater är tvättpress vilket är en blandning av pressar och tvättfilter, kontinuerlig diffusör, tryckdiffusör eller radialtvätt. Dessa varianter av tvättning används i serie eller i kombinationer för att man ska kunna få massan ren. En variant av kombination kan vara att man använder till exempel kokartvätt, tvättfilter och kontinuerlig diffusör.
Använder man filter brukar dessa användas i serier, filtertvätten kan ha ett antal filter i serie för att rengöra massan [6][7].
Silningen är också ett viktigt steg eftersom när massan lämnar kokningen finns det kvar oönskade ämnen så som kvistar, bark eller flis. Silningen använder sig av silplåtar för att separera de oönskade ämnena från massan. Silplåtarna är perforerade vilket innebär att mindre fibrer släpps igenom medans större fastnar. De fibrer som släpps igenom kallar man för accept medans det som avskiljs kallas för rejekt. Sand är även ett oönskat ämne vilket man vanligtvis använder hydrocykloner för att kunna avlägsna. När massan genomgått tvättning och silning är det vanligt att den sedan bleks innan den når sista steget som är torkning [6][7].
1.1.4.4 Torkning
Sista steget för massan är torkning, såvida det inte är ett integrerat bruk för då går massan till pappersbruket. För ett bruk som inte är integrerat ska massan säljas, men först måste den torkas med hjälp av en torkmaskin som består av tre delar. Torkmaskinens tre delar är
våtparti, pressparti och torkparti. Massan ska torkas i torkmaskinen till en torrhalt på omkring 90 %. Massan som tidigare kommer ifrån blekeriet pumpas till torkmaskinens så kallade inloppslåda. Från inloppslådan, som sitter i den våta änden av torkmaskinen, skickas massan ut på en stor duk som kallas viran och tillhör virapartiet. Massan som skickas ut på viran
5 suger man ut vattnet ur med hjälp av suglådor som sitter under viran. Man använder även valsar för att pressa ut vatten ur massan i virapartiet. Efter detta steg leds massan till presspartiet där det finns ytterligare några pressvalsar [6][7].
Massan har en torrhalt på omkring 45–50 % när den lämnar presspartiet och leds över till torkpartiet. Ett modernt bruk använder sig av fläkttorkar. Massan förs igenom ett torkskåp med ett antal rader av blåslådor som torkar massan. Den varma torkluften blåses underifrån på massan för att vattnet ska avdunsta. Den torkade massan rullas antingen upp till massarullar i en rullmaskin eller skärs den i ark och går via en balpress för att bli massabalar. Båda
slutprodukterna genomgår en emballering och etikettering innan de transporteras till magasinet innan försäljning [6][7].
1.1.5 Kemikalieåtervinningen
I massabrukets kemikalieåtervinning återvinns kokkemikalier som omvandlats under kokningen. Kemikalieåtervinningen är viktigt både av miljöskäl men även av ekonomiska skäl. Kemikalieåtervinningen består av indunstningen, sodapannan samt vitlutsberedningen. I indunstningen tjockar man upp svartluten så att den blir till tjocklut. Tjockluten används som bränsle i sodapannan där ånga produceras samtidigt som kemikalier återvinns och grönlut bildas. Till sist når man vitlutsberedningen där grönluten från sodapannan bereds till vitlut och därmed en aktiv kokkemikalie [8].
1.1.5.1 Indunstning
Svartluten som bildas i tvättsteget måste indunstas för att få en högre torrhalt eftersom den senare ska förbrännas i sodapannan. I indunstningen kokas vattnet bort ur svartluten med hjälp av ånga, för att hålla nere ånganvändningen sker denna process stegvis i
indunstningsapparaterna. Indunstningen kan bestå av fem eller sex steg.
Indunstningsapparaterna fungerar ungefär som en värmeväxlare där värmen i föregående steg återanvänds i nästa steg osv. Färskånga tillförs bara i det första steget för att få luten att koka, när luten väl kokar används lutångan som uppvärmning till efterkommande steg [8].
För att denna strategi ska fungera krävs det att lutångan håller högre temperatur än vad luten gör i samma steg. En stegvis temperatur och trycksänkning sker över alla stegen. I sista steget används en kondensor för att sänka trycket. Okondenserbara gaser sugs även ut efter
kondensorn och förbränns delvis i sodapannan [8].
6 Lutångkondensat bildas även mellan varje steg i processen där lutångkondensatet ifrån det första steget är rent och tillförs matarvattensystemets rening innan det används som
matarvatten. Efter första steget är lutångkondensaten förorenade med bland annat metanol, däremot från steg två och tre är lutångkondensatet tillräckligt rent för att kunna återanvändas inom massatvätten och vitlutsberedningen. Från sista stegen måste det metanolförorenade lutångkondensatet renas, den separerade metanolen går att använda som bränsle i
mesaugnarna [8].
Svartluten tillsätts i steg tre och pumpas sedan till steg fyra och fem. När svartluten nått steg fem är den nästan färdigförtjockad och då kallas svartluten för mellanlut. Mellanluten lagras i en separat cistern och tillförs sedan i steg ett igen. Mellanluten från steg ett pumpas till steg två där den blir till färdigindunstad tjocklut. För att öka torrhalten på tjockluten kan
slutförtjockare även användas. Talloljan har även sitt ursprung i indunstningen. Såpa som flyter upp till ytan i svartlutcisternerna och lägger sig som ett skum innehåller extraktivämnen som kokningen frigjort ur barrveden. Såpan har ett eget användningsområde vilket är
talloljeproduktionen. För att såpan ska kunna användas till talloljeproduktion måste den först skummas av [8].
1.1.5.2 Sodapannan
En sodapanna är en svartlutseldad ångpanna som även uppfyller ett syfte som kemisk reaktor.
Restkemikalier som bildas från tidigare tvätt steg i massatillverkningen återvinns till nya kokkemikalier genom förbränning av svartlut som även den är en restprodukt i
massatillverkningen. Svartluten sprutas in i pannan via något som kallas lutsprutor som har ett speciellt utformat munstycke för att ge en finfördelad spridning av luten. Luten som sprutas in i pannan bildar en bädd i botten av pannan [9][8].
För att förbränningen ska ske på rätt sätt tillförs förbränningsluft till pannan.
Förbränningsluften tillförs i olika nivåer och benämns som primärluft, sekundärluft och tertiärluft. I den nedre delen av pannan tillförs mindre luft så att det bildas ett underskott av syre. När svartluten förbränns i en syrefattigmiljö så bildas det natriumsulfid (Na2S).
Bildningen av natriumsulfid benämns som sodapannan reduktionsgrad och den ligger oftast över 90 %. Smältan som mestadels består av natriumsulfid och natriumkarbonat rinner ut i pannan botten via något som kallas löprännor. Löprännorna mynnar ut i en smältalösare där smältan blandas med svaglut och bildar gröntlut. Sodapannan kan delas in i två sektioner. En
7 ugnssektion där förbränningen sker och en värmeöverförande sektion där största
värmeöverföringen sker (se figur 1 under ång- och vattensystemet) [9][8].
1.1.5.3 Vitlutsberedning
Första steget i vitlutsberedningen är att rena grönluten som kommer från smältalösaren.
Reningen sker i grönlutsklarnaren men ibland används även tryckfilter. Anledningen till att grönluten måste renas är för att det följer med uppslammade föroreningar från smältalösaren.
I grönlutsklarnaren sker reningen genom sedimentering och med tryckfilterrening sker det med hjälp av roterande skivfilter. Kvarvarande grönlut i slammet efter rening tvättas ut i slamfilter. Svagluten som finns i filtratet pumpas tillbaka till smältalösaren där det blandas med smältan från sodapannan [8].
Bränd kalk blandas med den rengjorda luten i något som kallas för kalksläckaren. I
kalksläckaren reagerar den brända kalken med vattnet som finns i luten vilket resulterar i att kalken ”släcks” och blir till kalciumhydroxid [8].
Efter kalksläckaren kommer det flera kausticeringskärl där lut- och kalkblandningen (kalciumhydroxid) reagerar med natriumkarbonat och bildar natriumhydroxid samt kalciumkarbonat. Anledningen till att denna process kallas för kausticering är för att natriumhydroxid kallas för kaustiksoda. Nu är vitluten och den eftersträvade
natriumhydroxiden tillbaka men den andra restprodukten kalciumkarbonatet måste separeras innan man kan använda vitluten. Kalciumkarbonatet kallas även för mesa och måste avskiljas från vitluten innan den går att använda, avskiljningen sker i vitlutsklarnaren och den avskilda vitluten kan återföras till kokaren [8].
Överbliven mesa bränns i mesaugnar som är en stor cylindriskt formad ugn som roterar samtidigt som den lutar för att få mesan att transporteras längs ugnen. Mesan tillförs i ena änden av ugnen och transporteras mot den andra änden där det sitter det en brännare. I ugnen sker en kalcinering vilket innebär att kalciumkarbonatet omvandlas till kalciumoxid vilket är bränd kalk [8].
1.1.6 Ång- och vattensystemet
Sodapannans vatten- och ångsystem består av bland annat ekonomiser, screen, falltuber, tubvägg, ångdom, konvektionstubsatser, överhettare mm. Bland dessa hör
konvektionstubsatser, tubvägg, ekonomiser och screen till vattnets värmeöverföring. Gällande
8 ångans värmeöverföring så omfattar den framförallt överhettaren men även screen i viss mån [10].
En screen är en lågtempererad tubyta som sitter framför överhettarområdet. Rökgaserna som bildas i ugnen når screen som är det första värmeöverförande steget. Det finns screen där man cirkulerar mättad ånga, då kallad ångscreen, men det vanligaste är att man cirkulerar vatten i screen vilket kallas vattenscreen. I screen förångas vattnet med hjälp av de heta rökgaserna.
Fördelar med att ha screen är att den fångar oförbrända partiklar, ger ett jämnare flöde samt minskar korrosion av överhettaren. Nackdelar med screen är att det finns exempel då den har brustit och orsakat explosion i sodapannan. Dessutom minskar screen effektiviteten av överhettaren eftersom screen fångar en del av värmen från ugnen [10].
Nästa värmeöverande steg efter screen är överhettaren. Överhettarens funktion är att överhetta ångan. Överhettaren består av ett antal tuber som tillsammans bildar en bank, även kallat tubpaket. Dessa tubpaket kan jämföras med en grupp seriekopplade värmeväxlare.
Överhettaren är extra viktigt eftersom den är avgörande för sodapannan verkningsgrad.
Omkring 30 % av all värmeöverföring till ångan sker i överhettaren vilket gör att det är en av de största värmeöverförande ytorna i sodapannan. Överhettaren är även det sista
värmeöverförande steget som ångan kommer i kontakt med innan den lämnar pannan. Detta innebär att överhettaren har en avgörande roll för att ångan ska nå dess eftersträvade
temperatur [10][11].
Nästa steg som rökgaserna når i sodapannan är konvektionstubsatsen. Konvektionstubsatsen, screen samt väggtuberna har samma syfte, att förånga vattnet och tillsammans benämns de som förångningsytorna. Konvektionstubsatsen är det sista som rökgaserna kommer i kontakt med innan de når ekonomisern och slutligen lämnar sodapannan [10][11].
Sista värmeöverförande steget som rökgaserna når innan de lämnar sodapannan är
ekonomisern. Rökgaserna kan hålla en temperatur på över 350°C när de lämnar sodapannan, med det i åtanke valde man att använda denna värme till att förvärma vatten. Förvärmningen minskar temperaturen på utgående rökgaser samtidigt som effektiviteten på
värmeöverföringen för sodapannan ökar. Teoretiskt förvärms vattnet så att det når
mättnadstemperatur, men i praktiken så håller man sig under förångningstemperaturen för att förhindra att vattnet börjar koka [10] [11].
9 I figur 1 illustreras de olika områden som beskrivits tidigare. Rökgaserna färdas i samma riktning som pilen i sodapannans ugnssektion visar. Först når rökgaserna screen samt
överhettare. Därefter når rökgaserna konvektionstubsatsen samt ekonomisern innan de lämnar sodapannan. Sett ur vattnets perspektiv så förvärms det till strax under sin mättnadstemperatur i ekonomisern. Vattnet förångas sedan till ånga i förångningsytorna, vilket i figuren motsvarar boiler walls, screen samt boiler bank. Ångan värms sedan till en hög temperatur i överhettaren [11].
Figur 1: Skiss av sodapannans uppbyggnad.[5].
1.1.7 Sotning
Beläggningar och igensättningar är ett återkommande problem i en sodapanna och utförs inga åtgärder kan det påverka pannans värmeöverföring och ångproduktion. I värsta fall kan för mycket beläggning och igensättning orsaka ett helt stop på sodapannan. Sotblåsare används för att rengöra sodapannans överförande områden från beläggningar. När Sodapannan är i drift används ångsotblåsare som blåser ånga med högt tryck och temperatur på de områden som ska rengöras. Vid stopp på sodapannan utförs en vattentvätt [12].
10 Sodapannor har utvecklats markant genom tiden. De första sodapannorna hade en
förbränningskapacitet av svartlut på omkring 200 ton TS/dygn. Idag kan en sodapanna ha en kapacitet på omkring 5000 ton TS/dygn. Samma utveckling har skett gällande ångkapaciteten.
Kapaciteterna har utvecklats från 350°C och 30 bar till 480°C och 60 bar. Denna utveckling ställer högre krav på sotningen vilket även den har genomgått en gedigen utveckling. I början utfördes sotningen för hand på sodapannorna och det resulterade i att man inte kunde hålla sodapannan igång längre perioder. När sodapannan blev för igensatt var man tvungen att stoppa förbränningen och genomföra manuella sotningar genom luckor på sodapannan. En manuell sotblåsare använde tryckluft och bestod av ett stålrör med ett munstycke i ena änden och ett handtag med ett reglage i andra änden [12].
De manuella sotblåsarna utvecklades i flera steg till den som används mest idag. Idag är de vanligaste sotapparaterna automatiserade och kan föras in och ut ur sodapannan.
Sotapparaterna består av en sotlans som roterar samtidigt som den förs in i pannan. I änden som förs in i pannan sitter det ett munstycke där ångan blåses med högt tryck och hög temperatur. När sotapparaten inte används förs den ut ur pannan för att den inte ska vara i kontakt med sodapannans påfrestande miljö i onödan. Sotningsproceduren för en sotapparat tar någon minut men beroende på hur många sotapparater som pannan har varierar tiden det tar innan hela sotningscykeln är färdig. En sodapanna kan ha allt ifrån 30 till 150 sotapparater [12]. Ett vanligt förekommande problem gällande ångsotning är att sotapparaten inte kommer åt att rengöra alla tuber eftersom tuberna kan täcka varandra. Problem med att sotlansen fastnar är även vanligt förekommande [12][11].
Kulsotning är en annan metod som kan användas för att rengöra tuber. Kulsotningen använder en större antal metallkulor som släpps ned på de ytor som skall rengöras. Kulorna kolliderar med varandra och även det material som ska rengöras och på så sätt lossnar smutsen från materialet. Kulorna samlas in och transporteras tillbaka till dess startpunkt för sotningen där proceduren upprepas. Denna metod är fördelaktig om kulorna kan falla genom flera tubpaket dvs där vertikala tubpaket förekommer [12][11].
1.1.8 Elproduktion
Högtrycksångan som produceras i ett massabruk måste reduceras till de trycknivåer och temperaturer som används till massabrukets övriga processer. I Skutskärs massabruk använder man sig av en mottrycksturbin och reducerstationer/ventiler för att åstadkomma denna tryck- och temperatursänkning. Fördelen med att använda en mottrycksturbin är att samtidigt som
11 trycket reduceras så producerar man även el. Nedan visas en förenklad skiss över hur detta kan se ut. Högtrycksånga från ångproducenterna tillförs turbinen där en elproduktion sker samtidigt som en tryck- och temperatursänkning sker för att leverera rätt ångkvalitet till resterande processer [6].
Figur 2: Förenklad skiss över en mottrycksturbin [13].
1.1.9 Kemiska processer i sodapannan
I sodapannan förekommer det ett antal åtskilda kemiska processer: Tilluft tillförs och blandas med sodapannans gaser, svartlut tillförs och finfördelas som droppar, svartlutsdropparna torkas, pyrolys av svartluten och förbränning av pyrolysgaser, förgasning och förbränning av kolrester, reduktion av flytande svavelföreningar till sulfid och slutligen urtappning av smälta som består av natriumsulfid och natriumkarbonat från sodapannans botten.I figuren visas ett exempel av det kemiska innehållet i svartlut taget innan det nått mixtanken.
Figur 3: Exempel på kemiskt innehåll i Svartlut.[15]
12 I figuren syns ett förhållande, S/Na2, vilket är ett molförhållande gällande totalt svavel och natrium i svartluten. Gällande detta svavel och natrium förhållande skiljer det sig mycket mellan processerna världen över. Om en hög sulfiditet finns i massaframställningen ökar förhållandet S/Na2. I Skandinavien till skillnad mot Nordamerika har vi en högre sulfiditet i vår massaframställning vilket innebär att vårt S/Na2 – förhållande är högre. För skandinaviska massabruk ligger denna kvot mellan 0,35 – 0,5 till skillnad mot nordamerikanska massabruk där kvoten ligger mellan 0,2–0,3 [15].
Det bästa scenariot för en sodapanna vore om alla svavel- och natriumföreningar skulle omvandlas till natriumsulfid Na2S och natriumkarbonat Na2CO3 i sodapannans smälta. I ett verkligt fall däremot kan man räkna med en reduktionsgrad på omkring 90–95 %, vilket motsvarar kvoten av natriumsulfid och totalt svavel (Na2S/total S). Anledningen till att en fullständig reduktion inte sker är för att en stor del av allt natrium och svavel följer med förbränningsgaserna in i sodapannans rökgaser. Partiklarna som följer med rökgaserna består till största del av natriumsulfataska/stoft och svavelhaltiga gaser. Dessa två samansättningar är en av orsakerna till påbyggnad/igensättning av sodapannans värmeöverförande ytor [15].
Den största delen av askan/stoftet följer med rökgaserna och samlas upp i askfickor eller i elfilter [15]. Elfilter används för att samla in aska som följer med rökgaserna. Ett elfilter använder sig av urladdnings- och uppsamlingselektroder varvid ett elektroniskt fält skapas mellan dem. Urladdningselektroderna är negativt laddade medan uppsamlingselektroderna är positivt laddade samt jordade. Rökgasen passerar mellan två uppsamlingsplattor, en hög spänning tillförs vilket får gasmolekylerna nära urladdningselektroden att joniseras. De negativt laddade gasmolekylerna ansluter sig till ytan av askpartiklar vilket medför att de blir negativt laddade. De negativt laddade askpartiklarna attraheras av de positivt laddade
uppsamlingselektroderna eller plattor, och bildar ett lager av aska. Detta asklager rengörs med vibratorer eller slagverk vilket får askan att falla ned i askfickor [16]. Delar av askan som samlas in i askfickorna återförs till svartluten i mixtanken. Denna återföring av aska står för omkring 10 % av natriuminnehållet i svartluten. Omkring 20–40 % av svavlet i sodapannan följer med förbränningsgaserna. Utsläppen från sodapannan sker via rökgaserna där en mindre mängd av svavlet och natriumet inkluderas. Övriga utsläpp som är vanligt förekommande är svaveldioxid, svavelväten, metantiol osv. Utsläppsmängden är beroende av dels hur processen fortlöper men även hur välfungerande rökgasreningen är [15].
13 Kvoten, S/Na2, har en betydande roll när det gäller rökgasernas reaktioner och samansättning.
I de lägre delarna av sodapannans ugnssektion sker en oxidering av svavelväte vilket bildar svaveldioxid, denna reaktion sker omkring tertiärlufttillförseln vilket är ugnssektionens övre del. Oxideringens fullständighet beror på hur väl luften beblandar sig med
förbränningsgaserna. I samma område som oxideringen sker reagerar även svavelvätet med natrium vilket bildar natriumsulfat. Natriumsulfatet är i detta skede i smält form men desto lägre temperaturen av förbränningsgaserna blir kommer natriumsulfatet att anta en mer fast form. Åter till kvoten av totalt svavel och natrium så är det avgörande för hur de kemiska sammansättningarna av förbränningsgaserna i ugnsektionen kommer att utspela sig. Ett överskott av svaveldioxid kan orsaka påbyggnader/igensättningar eftersom svaveldioxiden kan omvandla sulfataska till surt sulfat som är klibbigt. Detta sura sulfat kan orsaka
påbyggnader/igensättningar av ekonomisern och konvektion. Genom att hålla kvoten mellan svavel och natrium låg motverkas ett överskott av svaveldioxid och i sin tur bildandet av det sura sulfatet. Ett sätt att minska kvoten S/Na2 är att öka torrhalten på svartluten [15].
pH-värdet på askan som avskiljs i elfiltren kan användas för att göra en uppskattning om hur S/Na2 – kvoten ser ut. Vanligtvis ligger pH-värdet för aska, uppmätt i vattenlösning med 1%
aska, i en kraftpanna mellan 7 – 12 %. Ett riktmärke för ett lämpligt pH-värde på askan är omkring 10 – 11 %. Ligger pH-värdet under 10 % kan det indikera att man närmar sig stadiet när det sura sulfatet bildas. Om pH-värdet överstiger 12 % kan det bero på överbäring av svartlutsdroppar som följer med rökgaserna in i rökgaskanalen. Detta fenomen skulle öka pH- värdet i askan avsevärt eftersom karbonatinnehållet är högt i dessa överbäringspartiklarna [15].
1.2 Litteraturstudie
Litteraturstudien är baserad på ett antal olika studier som är relaterade till sodapannans värmeöverföring. Studier som handlar om exakt samma undersökning som jag själv kommer att utföra är väldigt svårt att hitta. Med avseende på det har fokus varit att finna studier som relaterar sig till undersökningen på ett eller annat vis. Studerade studierna handlar till stor del om överhettaren och sotningssystemet. Sökmotorer som använts för att söka litteratur har framförallt varit Discovery samt ScienceDirect. Sökord som kombinerats har bland annat varit
”recovery boiler”, ”heat transfer”, ”sootblower”, ”fouling”… osv.
14 Värmeöverföringen till sodapannans överhettare spelar en stor roll vidare hur hög
sodapannans slutliga verkningsgrad kommer att bli [10]. Syftet med studien [10] är att undersöka hur överhettarens värmeöverföring förändras efter optimering av dess utformning.
Metoderna som använts i studien är bland annat modellering, simulering samt
beräkningsprogram gällande flödesdynamik för vätskor, även kallade CFD-modellering program [10]. I studien belyser man hur viktig överhettaren är för hela sodapannans verkningsgrad. Hela 30 % av all värmeöverföring som sker i sodapannan härstammar från överhettaren. Med avseende kring detta och det faktum att överhettaren är det absolut sista området som ångan kommer i kontakt med innan den lämnar sodapannan, styrker
resonemanget om att överhettarens kapacitet spelar en stor roll [10].
Figur 4: Effektiva och ineffektiva överhettar områden enligt studien [10].
Med hjälp av CFD-modellering och simulering har studien kommit fram till effektiva och mindre effektiva områden i överhettaren vilket visualiseras i figur 4 ovan. Den effektiva zonen står för 80 % av all värmeöverföring men den upptar enbart omkring 57 % av ytan [10].
15
Figur 5: Olika utformningar på överhettaren och dess resulterande värmeöverföringsökning. [11]
I studien genomfördes två olika designer av överhettaren. Dessa designer visualiseras som design A respektive design B i figur 5. I design A har ett större djup av nässektionen utförts medan den lägre vinkeln av nässektionen har minskats. I design B har man utfört motsatta förändringar, där man minskat nässektionens djup samtidigt som den lägre vinkeln av nässektionen har ökats. Resultatet visar att med hjälp av att ändra designen från den
ursprungliga basdesignen ökade värmeöverföringsgraden med 5 % i fall A medans den ökade 3 % i fall B [11].
Ett vanligt problem med överhettare är att de drabbas av beläggning. Detta är något som undersöks närmare i denna studie [17]. Förutom att beläggning på överhettare kan orsaka sämre värmeöverföring kan det även orsaka korrosion på tuberna. [17] studien använder sig av en CFD-beräkning och modellering för att genomföra analyser av överhettarens tuber.
CFD modellen är inriktad på två stycken tubböjar. Dessa två tubböjar är placerade i överhettarens botten och tillhör den första gruppen överhettar tuber. Anledningen till detta fokusområde är för att den första gruppen av tuber är de som är mest utsatta för rökgaserna och löper större risk för beläggning [17]. I studien [17] utförs fyra olika analyser kring beläggning av tuberna. Analyserna behandlar partiklarnas massflöden längs med tuberna, beläggningens tjocklek samt värmeöverföring. I figurerna 6 - 8 illustreras resultaten från CFD modellen, där A och B motsvarar de två tubböjarna [17].
16 Figur 6 illustrerar hur flödet av partiklar träffar de två tubböjarna. CFD-beräkningen visar att flödet av partiklar som träffar tub A är mestadels kring tubens framsida. Gällande tub B är det mindre partiklar som träffar den samt att de partiklarna förekommer på tubens sidor, detta orsakas av turbulens [17].
Figur 6: Massflödet av partiklar som träffar de två tubböjarna.[17]
CFD- beräkningen visar en tydlig trend mellan massflödets storlek och tjockleken av beläggningen vilket framgår i figur 6. Här syns det att tjockleken av beläggningen är som störst i de områden där massflödet var som störst [17].
Figur 7: Tjockleken av beläggningen som bildats på de två tubböjarna.[17]
17 Figur 7 visualiserar den konduktiva värmeöverföringen från de två tubböjarna. Här framgår det i figuren att en tjockare beläggning bidrar till en sämre värmeöverföring. Både den konvektiva och konduktiva värmeöverföring påverkas av beläggningens tjocklek [17].
Figur 8: Konduktiva värmeöverföringen från de två tubböjarna [17].
Slutsatserna som dras i studien [17] är att för båda tubböjarna leder ökat massflöde av rökgaspartiklar till en ökad beläggningstjocklek på tuberna. Detta leder i sin tur till sämre värmeöverföring både konvektivt och konduktivt.
En annan viktig aspekt gällande en ångpannas effektivitet är sotningssystemet. En studie [18]
som visserligen är utförd på en koleldad panna, visar på hur viktig sotningen är för pannan.
Bristande sotning bidrar till igensättningar vilket leder till minskad värmeöverföring och dessutom effektivitet i pannan. Studiens syfte var att dels visa hur viktig sotningen är för att bibehålla en god effektivitet. Men även visa hur just deras utvecklade sotningssystem kan bidra till detta [18]. I studien undersöker man hur ett optimerat sotningssystem baserat på termodynamiska modelleringsprogram och algoritmer kan påverka pannan. Det optimerade sotningssystemet bygger på att hitta en balans i sotningsmängd samt utföra sotningen på rätt ställe. För hög frekvens på sotningen bidrar till onödig användning av ånga och för låg frekvens bidrar till igensättningar samt minskad värmeöverföring, dessutom är det viktigt att sotningen utförs på det stället som är i behov av sotning [18]. Resultatet visar att med hjälp av den optimerade sotningen ökar pannans effektivitet samtidigt som man får en minskad
bränsleanvändning och även minskade utsläpp av NOx. Genom att endast genomföra en
18 sotningscykel ökar effektiviteten av pannan med 0,53 % samtidigt minskningen av bränsle och NOx -utsläppen minskar med 0,52 % respektive 15 % [18].
Gällande effektiv sotning har en studie [19] utförts om fördelar med att använda lågtrycksånga till sotblåsarna. För att uppnå och bibehålla en god termisk effektivitet i sodapannan är det viktigt att sotningen är så effektiv som möjligt. Vanligtvis använder sotblåsarna i sodapannan mellan 5–12 % av den högtrycksånga som produceras vilket tas ut innan turbinen. I studien [19] utvärderas de ekonomiska fördelarna med att använda
lågtrycksånga, om 10 respektive 20 bars sotångtryck, istället för högtrycksånga motsvarande 61 bar. De ekonomiska fördelarna grundar sig i den ökade användningen av turbinen.
Turbinen används för att reducera trycket på ångan som används vid lågtryckssotning till skillnad från högtrycksångan då den reduceras med en ventil. En uppskattning av de ekonomiska fördelarna med lågtryckssotning utförs med hjälp av formeln W = P/G då man antagit att all högtrycksånga som tidigare använts för att sotning nu används för elproduktion i turbinen. W motsvarar den extra elproduktionen. P är den mängd högtrycksånga som
förbrukas vid sotning. G motsvarar den ångmängd som krävs för att generera 1 kWh. Värdet på elektriciteten uppskattades till 50 $/MWh [19].
De ekonomiska beräkningarna kring användningen av lågtrycksånga till sotningen illustreras i figur 9. Linjerna visar lönsamheten om alla sotblåsare skulle konverteras till lågtryckssotning.
Den övre linjen motsvarar ett uttaget tryck på 10 bar (150 psi) ur turbinen och den undre linjen motsvarar ett uttaget tryck på 20 bar (300 psi) ur turbinen. I studien [19] kommer man fram till att det inte är möjligt att konvertera de befintliga sotblåsarna till att använda exakt 10 bar vilket är anledningen till att linjen för 20 bar även visas i diagrammet som ger en ärligare uppskattning.
19
Figur 9: Förhållande mellan besparing kontra ångkonsumption för de två sotångtrycken.[19]
Ytterligare fallstudie har studerats som även den styrker vikten av fungerande sotning i sodapannan [20]. Denna fallstudie riktar sig mot en stor panna tillhörande ett pappers- och massabruk. Bakgrundsproblemet för studien var att pannan hade en dålig effektivitet och studiens mål var att undersöka detta och ge föreslag på förbättringsåtgärder.
I fallstudien [20] fann man bland annat att sotningen var delvis ur funktion vilket innebar att detta åtgärdades omgående. Utöver vikten av att ha en fungerande sotning så ger fallstudien även förslag på att man bör genomföra sotning minst en gång per skift samt att man sotar både ekonomisern och luftförvärmare. Övriga förslag, förutom sotningen, som studien presenterar är att genomföra löpande analyser av bränslet som förbränns i pannan samt på rökgaserna som bildas. Detta för att kunna köra pannan så optimalt som möjligt. Fallstudiens resultat visar att med de förslag som presenterats så kan pannans effektivitet öka med 2 %. Bara genom att tillföra rätt luftmängd i pannan kan man förvänta sig en effektivitetsökning på 0,96 % [20].
För att sammanfatta litteraturstudien innehåller den CFD-modelleringar av överhettaren där dels en optimering av överhettaren hade utförts samt en analys kring påbyggnad på
överhettaren. Vidare studerades även sotningssystemets påverkan gällande värmeöverföringen i sodapannan där dels en frekvensoptimering och en optimering av sotångtryck hade
genomförts. Slutligen belyses några effektiviseringsförslag från fallstudie där effektiviteten av en sodapanna var bristande. Resultaten visar att överhettaren samt sotningssystemet har en betydande roll gällande värmeöverföringen i sodapannan. Överhettarens utformning såväl som mängden av påbyggnad på tuberna är två faktorer som påverkar överhettarens
värmeöverföringsgrad. Gällande sotningssystemet påverkar frekvensen av sotningen
20 värmeöverföringsgraden i sodapannan, även att sotningen utförs på rätt områden har stor betydelse. Konvertering till lågtryckssotning kan vara en lönsam åtgärd, utan påverkad reningsgrad, då det ger en ökad turbinanvändning. Vidare tas några förslag upp gällande effektivitet av sodapannan där bland annat stor vikt läggs på sotningen men även vikten av att analysera bränslen och rökgaser för att tillföra rätt luftmängd i sodapannan.
1.3 Syfte
Syftet med denna fallstudie är att utföra en utredning gällande den bristande utgående
ångtemperaturen på sodapannan (SP6). Fallstudien har två huvudsakliga mål. Först och främst är målet att kvantifiera problemet. Därefter är målet att försöka lokalisera vad eller vilket område det är som orsakar denna problematik.
• Hur stor elproduktionsförlust orsakar temperaturfallet på sodapannan?
• Vilka/vilket område är det som orsakar temperaturfallet på sodapannan?
1.4 Förfarande
Denna fallstudie omfattar i huvudsak en dataanalys av sodapannan där ett internt
analyseringsprogram som heter WinMops kommer att användas för att dels analysera data och även användas för att göra jämförelser med brukets andra sodapanna.
21
2 Teori
Här redogörs teoretiska data om hur elproduktionen fungerar och verkar samt data kring SP6.
2.1 Elproduktion
Skutskärsbruk har tre stycken ångproducenter. Det är två stycken sodapannor som kallas sodapanna 6 (SP6) och sodapanna 7 (SP7), samt en biobanna som kallas BP5. Som figur 10 nedan visar, producerar samtliga pannor högtrycksånga till brukets högtrycksnät (HT-nätet).
HT-nätet strävar efter att ligga på ett tryck om 57 bar absoluttryck samt en temperatur på 450°C. Högtrycksångan driver mottrycksturbinen som har en maxeleffekt på omkring 46 MW. Mottrycksturbinen används även för att sänka trycket på HT-nätet till mellantryck (MT- nätet) samt lågtryck (LT-nätet). Mellantrycksnätet håller ett tryck på 12 bar absoluttryck samt en temperatur på omkring 270°C. Lågtrycksnätet håller ett tryck på 4 bar absoluttryck samt en temperatur på omkring 180°C. I mottrycksturbinen är det LT-nätet som är mottrycksångan medans MT-nätets ånga är avtappningsånga. Mottrycksturbinen har en mekanisk
verkningsgrad på 95 % medans den isentropiska verkningsgraden skiljer sig mellan MT och LT-nätet. Den isentropiska verkningsgraden för MT-nätet är 75 % och för LT-nätet är den 85
%. Den mekaniska verkningsgraden relaterar sig till effektöverföringen mellan turbin och generator.
Figur 10: Flödesschema hämtat ur WinMops som visar pannornas ångflöde till turbin.
22
2.2 Sodapanna 6 (SP6)
Sodapanna 6 byggdes 1966 och designades då för att ha en lutkapacitet på 600 tTS/24h med 72 % torrhalt på luten. Under höststoppet 1996 byggdes SP6 botten om för en lutkapacitet på 800 tTS/24h med 72 % luttorrhalt. Gällande lutkapaciteter är det askfrilut som mätes.
Ombyggnationen som ägde rum 1996 innebar att SP6 skulle öka antalet lutsprutor från 2 till 4 stycken. SP6 är en tvådomspanna med 2 löprännor och 4 lutsprutor. Bottenarean är 57,5 m2 och överhettarens värmeyta är 1250 m2. SP6 har till skillnad från SP7 en vattenscreen. För att inte ångan ska bli för het sitter det en ångkylare på båda sodapannorna vars uppgift är att kyla ångan om den blir för het (se bilaga 2 och 4).
Ångkapaciteten efter överhettaren som SP6 är dimensionerad för är 56 bar övertryck samt 450
°C. Värmevärdet på luten som tillförs båda sodapannorna motsvarar 14,2 MJ/kg.
Pannverkningsgraden för SP6 är 75 % [6]. Ombyggnationen av SP6 som innebar en kapacitetsökning om 200 tTS/24h blev aldrig genomförd i helhet vilket innebär att SP6 fortfarande körs efter de ursprungliga kapaciteterna. Vid normal drift brukar SP6 leverera omkring 80 ton ånga/h med ett tillfört svartlutflöde på 25–27 m3/h, densitet på omkring 1460 kg/m3 samt en luttorrhallt på 70 %.
I figur 11 nedan visas en centrerad bild över överhettarområdet på SP6. Den större röd-blå cirkeln är ångdomen och den blå cirkeln under är vattendomen. Området mellan de två domarna är konvektion. De blå linjerna som cirkulerar kring de röda vertikala linjerna är vattenscreen och de röda vertikala linjerna är överhettaren (se bilaga 2 för hela SP6).
Figur 11: Flödesschema centrerat över överhettarområdet taget ur WinMops.
23
3 Metod
I metodavsnittet redogörs tillvägagångsättet som använts för att nå resultatet i arbetet.
Metoden är uppdelad i tre stycken avsnitt varvid varje avsnitt har sitt tillhörande resultatavsnitt.
3.1 Förlorad elproduktion
För att beräkna förlusten av elproduktion som orsakas av sodapannans låga temperatur har följande tillvägagångsätt använts. För att få tillgång till data som används vid beräkningen har ett internt analyseringsprogram som heter WinMops använts. I WinMops finns det tillgång till uppmätta eller beräknade flöden, temperaturer, tryck osv. Med hjälp av ett ”add in” program i Excel kan data hämtas från WinMops över ett specifikt intervall som anges. Vid utförandet av elproduktionsberäkningen har mätvärden hämtats per timme under ett år från WinMops.
Mätvärden som använts sträcker sig ett år tillbaka i tiden från den 8 april 2020.
Först bestämdes medelvärden av ångmassflöden som dels produceras från varje panna samt det totala ångmassflödet som når turbin. Eftersom både SP7 och BP5 levererar ånga vid 450°C betraktades deras ångflöde som ett gemensamt. För att bestämma massflödet av ånga från SP7 och BP5 subtraherades SP6 massflöde från det totala massflödet till turbin. Efter bestämning av massflödena bestämdes entalpierna för de olika ångflödena. Entalpierna bestämdes med hjälp av studentlitteraturen [21], samt ett program som finns i WinMops för att beräkna entalpi.
I nästa steg beräknades hur stor påverkan SP6 låga utgående ångtemperatur har gällande kvaliteten på ångan som når turbin. För att beräkna detta ställdes en energibalans upp med entalpi samt massflöde där entalpin och massflödet till turbin ska motsvara producerade ångans entalpi och massflöde från SP7+BP5 respektive SP6.
𝑃 = 𝐻 × 𝑚̊̊
𝐻𝑠ö𝑘𝑡 × 𝑚̊̊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝐻𝑆𝑃7+𝐵𝑝5× 𝑚̊̊𝑆𝑃7+𝐵𝑃5) + (𝐻𝑆𝑃6× 𝑚̊̊𝑆𝑃6)
Ur denna ekvation framgår det hur mycket entalpin på ångan som når turbin påverkas av SP6.
Med hjälp av den beräknade entalpiförlusten genomfördes en beräkning för att se hur mycket entalpiförlusten påverkar elproduktionen. För att beräkna elproduktionen har följande formel använts:
