Tillämpning av vatten-pinchanalys vid papperstillverkning

Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60

Information@kau.se www.kau.se Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap

Miljö- och energisystem

Kevin Sanchez Ortiz

Tillämpning av vatten-pinchanalys vid papperstillverkning

Framtagning av Excel-modell och rekommendationer för reducering av

vattenanvändningen

Application of water pinch analysis in papermaking

Development of an Excel model and recommendations to reduce water use

Examensarbete 30 hp

Civilingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik

Juni 2020

Handledare: Lars Nilsson Examinator: Roger Renström

Sammanfattning

Vatten är en viktig resurs inom processindustrin. Dess användning sträcker sig över olika processområden där exempelvis utspädning av kemikalier och rengöring förekommer. Införande av strängare utsläppskrav, ökade kostnader för vattenrening och begränsning av vattentillgång leder till att effektivisering av vattenanvändning inom vattenkrävande processer ses som ett viktigt arbete. Papperstillverkning är en vattenkrävande process och ständiga förbättringar med avseende på färskvatten intag och avloppsgenerering är önskvärda att genomföra. För att kunna uppskatta förbättringsmöjligheten i en process kan en vatten-pinchanalys tillämpas. I vatten- pinchanalys ingår framtagning av processinformation, framtagning av målvärden och nätverksdesign som nyckelsteg. Vid framtagning av processinformation kartläggs sänkor, dvs enhetsoperationer som kräver vatten av en viss kvalitet, och källor som är enhetsoperationer som genererar vatten i systemet. Målvärden utgörs av det minimala intaget av färskvatten och avloppsgenerering.

Syftet med arbetet är att undersöka hur vatten-pinchanalys kan tillämpas i papperstillverkningsprocessen. I detta arbete har vatten-pinchanalys tillämpats på två

fallstudier som behandlar papperstillverkningen. Målet med arbetet är att ta fram en validerad Excel-modell med inbyggd målframtagningsmetod och använda modellen vid genomförandet av vatten-pinchanalys vid papperstillverkning. Målet är även att kunna ge rekommendation på hur framtagning av processinformation ska genomföras i papperstillverkningsprocessen utifrån en känslighetsanalys.

Arbetet resulterade i att vattenkaskadanalys användes som metod för målframtagning och byggdes in som en Excel-modell. Vidare användes närmastegrannen metoden för design av vattennätverk där maximering av vattenåteranvändning sker. Den skapade Excel-modellen som togs fram validerades mot publikationer som tillämpat vattenkaskadanalys. Som resultat erhölls en skillnad på mindre än 1 % mellan Excel-modell och publikationer där vattenkaskadanalys tillämpats. Detta leder till att Excel-modellen bidrar till en automatiserad framtagning av målvärden från papperstillverkningsprocessen.

Användning av vattenkaskadanalys och närmastegrannen metoden för vatten- pinchanalys på fallstudiernas data leder till att besparingar i form av färskvatten och avloppsgenerering kan tas fram i papperstillverkningsprocessen. För den första fallstudien skulle intaget av färskvatten till mäldflödessystemet kunna uteslutas helt genom att återanvända befintliga procesströmmar och för den andra fallstudien kan ytterligare användningen av procesströmmen från flotationstanken i det befintliga systemet leda till en minskning av färskvatten intag i formningssektion. Generellt blir press-och formningssektion viktiga för återanvändning av vatten.

Framtagning av processinformation utgör grunden i vatten-pinchanalys och för att kunna ta fram det minimala färskvatten intaget till processen som analyseras anses identifierade sänkor i systemet ha en stor betydelse utifrån känslighetsanalysen som genomfördes. Sänkor ska kartläggas så dessa har den högsta tillåtna koncentrationen.

Det är även av stor vikt att informationsframtagning om enhetsprocesser med höga

massflöden exempelvis formningssektionen genomförs noggrant då även dessa har en stor påverkan på färskvatten intag och avloppsgenereringen.

Nyckelord: vattenkaskadanalys, vatten-pinchanalys, papperstillverkning, WPA, WCA

Abstract

Water is an important resource in the process industry. Its use extends over various process areas such as dilution of chemicals and cleaning. The introduction of stricter emission requirements, increased costs of water treatment and limitation of water resources means that the efficiency of fresh water use in water-demanding processes is seen as an important topic. Paper production is a water-demanding process and continuous improvements with respect to fresh water use and wastewater effluent are desirable to implement. In order to be able to estimate the possibility of improvement in a process, water pinch analysis can be applied to processes. Water pinch analysis includes the extraction of process information, setting minimum target values and network design development as key steps. Extraction of process information involves, mapping sinks, that means unit operation that require water of a certain quality, and sources which are unit operations that generate water in the system. Minimum target values consist of the minimum freshwater intake and wastewater effluent.

The purpose of the work is to investigate how water pinch analysis can be applied in the papermaking process. In this work, water pinch analysis has been applied to two case studies dealing with paper production. The goal of the work is to develop a validated Excel model with a built-in targeting method and apply it in water pinch analysis. The goal is also to provide recommendations on extraction of process information in the papermaking process based on a sensitivity analysis.

This work resulted in the use of the water cascade analysis as a method for targeting minimum water requirements and built-in as an Excel model. Furthermore, nearest neighbor algorithm was used for water network design for maximization of water reuse. The developed Excel model was validated against publications where water cascade analysis is applied. As a result, a difference of less than 1% was obtained between the Excel model and publications. Hence the Excel model is considered to contribute automatization of targeting the minimum requirements in the process.

The use of the water cascade analysis and nearest neighbor algorithm for water pinch analysis on cases study data leads to savings in the form of fresh water and waste effluent can be mapped in the papermaking process. For the first case study, use of fresh water to the approaching flowsystem could be completely excluded by reusing existing process streams and for the second case study further use of the process stream from the flotation tank will lead to a reduction of fresh water use in the forming section. In general, the pressing and forming section become important for water reuse.

Extraction of process information is fundamental in water pinch analysis and in order to be able to obtain the minimum fresh water intake for processes being analyzed, the identified sinks in the system are consider having a great impact based on a sensitivity analysis conducted. The sinks should be mapped with the highest allowed concentration. It is also of great importance that extraction of process information for process operations such as the forming section, is done accurately as these also

have a major effect on fresh water intake and the wastewater effluent due to the magnitude of water required in these processes.

Keywords: water cascade analysis, water pinch analysis, papermaking, WPA, WCA

Förord

Denna rapport är resultatet av det avslutande momentet på civilingenjörsprogrammet Energi- och miljöteknik vid Karlstads universitet och genomfördes under våren 2020. Examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.

Ett stort tack tillägnas Rexcell för möjligheten till att genomföra examensarbetet hos dem. Jag vill även tacka min handledare Lars Nilsson som under projektets gång kommit med värdefulla synpunkter kring genomförande och utformning av rapport. Tack tillägnas även min examinator Roger Renström som kommit med värdefulla synpunkter kring rapportskrivning för att få projektet i mål.

Kevin Sanchez Ortiz Juni 2020

Ordlista

Pinch-punkt : Flaskhalsen i ett vattennätverk som sätter minimikraven av vattentillförsel för processen som analyseras

Färskvatten : Vatten som tas in processen och innehar låg föroreningskoncentration

Massintegration : Metod för att effektivisera användning av en resurs

Källa : Enhetsoperationen som genererar vatten för återanvändning

Sänka : Enhetsoperationen som är i behov av vatten med en viss kvalitet

Kemisk syreförbrukning : Mängden syre som behövs för att oxidera organiskt material

Specifik vattenanvändning : Mängden vatten som behövs för att producera lufttorkad papper

Vattenkaskadanalys : Numerisk metod för att bestämma målvärden

Närmaste grannen algoritm : Numerisk metod för att ta fram ett enhetligt vattennätverk

Förkortningar

WMH : Vattenhanteringshierarki

SWC : Specifik vattenanvändning

WPA : Vatten-pinchanalys

FV : Färskvatten

PM : Pappersmaskin

WCA : Vattenkaskadanalys

SK : Sänka

SR : Källa

SS : Suspenderade ämnen

PI : Processintegration

MI : Massintegration

SSCC : Källa/sänka kompositkurvor

SSMD : Källa/sänka kartläggningsdiagram

IEA : Internationella energibyrån

LCC : Begränsande kompositkurva

NMTB : Icke massöverföringsbaserad

MTB : Massöverföringsbaserad

TSS : Total suspenderade ämnen

TDS : Total upplösta ämnen

COD : Kemisk syreförbrukning

AOX : Halogenerade organiska föreningar

NNA : Närmastegrannen metod

Innehåll

1 Inledning ... 1

1.1 Beskrivning av Rexcell och Duni AB ... 3

1.2 Problemformulering och syfte ... 4

1.3 Mål ... 4

1.4 Avgränsning ... 4

2 Teori ... 5

2.1 Processintegration (PI) och massintegration (MI) ... 5

2.2 Vatten-pinchanalys (WPA) ... 7

2.2.1 Analys av vattennätverket ... 8

2.2.2 Framtagning av processinformation ... 9

2.2.3 Målsökning ... 9

2.2.3.1 LCC ... 10

2.2.3.2 SSCC ... 10

2.2.3.3 WCA ... 11

2.2.4 Nätverksdesign ... 13

2.2.4.1 SSMD ... 14

2.2.4.2 SSAC ... 15

2.2.4.3 NNA ... 16

2.3 Papperstillverkningsteori ... 18

2.3.1 Massa och mäldframställning ... 18

2.3.2 Formning-sektion ... 19

2.3.3 Press-sektion & tork-sektion ... 19

2.3.4 WPA och papperstillverkning ... 20

3 Metod ... 21

3.1 Val av WPA metod och framtagning av Excel-modell ... 21

3.2.1 Begränsning och antagande ... 22

3.2.2 Validerings av Excel-modell ... 22

3.3 Fallstudier för att tillämpning av vald metod ... 23

3.3.1 Fallstudie I ... 23

3.3.2 Fallstudie II ... 24

4 Resultat ... 26

4.1 Validerings av Excel-modell ... 26

4.2 Resultat för Fallstudie I ... 26

4.2.1 Tillämpning av WCA på fallstudie I ... 27

4.2.2 Tillämpning av NNA på fallstudie I ... 27

4.2.3 Känslighetsanalys för flöden, Fallstudie I ... 28

4.2.4 Känslighetsanalys för koncentrationen, Fallstudie I ... 30

4.3 Resultat för fallstudie II ... 31

4.3.1 Tillämpning av WCA på fallstudie II ... 31

4.3.2 Tillämpning av NNA på fallstudie II ... 31

4.3.3 Känslighetsanalys för flöden, Fallstudie II ... 32

4.3.4 Känslighetsanalys för koncentrationen, Fallstudie II ... 34

5 Diskussion ... 36

5.1 Fortsatta studier ... 39

6 Slutsatser ... 40 Bilaga ... I

1

1 Inledning

Vatten är en viktig resurs och en grundförutsättning för allt levande på jorden. Det hör till ett av de globala målen som antagits för en hållbar utveckling i världen att säkerställa förvaltningen av vatten inom olika sektorer. Det återfinns i FN:s utvecklingsprogram (UNDP) att till 2030 förbättra vattenkvalitén genom att säkerställa hållbara uttag och en hållbar försörjning med sötvatten samt att minska föroreningar och utsläpp till floran (UNDP 2020). I Sverige står industrin för 61 % av den totala sötvattenanvändningen varav 80 % av totala sötvattenvolymen kommer från ytvatten d.v.s. sjöar och vattendrag. Hushåll står för 23 % av den totala användningen av sötvattenvolymen och resterande går till övrig vattenanvändning och jordbruk (SCB 2017). Inom processindustrin är vatten en viktig resurs och används till olika ändamål så som rengöring men även som energibärare (Wan Alwi

& Manan 2013). Vattenanvändningen är inte jämt fördelad mellan olika branscher.

Massa-, pappers- och pappersvaruindustrin utmärker sig genom ett påtagligt högre vattenuttag och vattenanvändning (SCB 2017). På senare år har strängare utsläppskrav och begränsad vattentillgång i vissa delar av världen bidragit till ökade kostnader för vattenrening och vattenuttag vilket har medfört att vattenhanteringen och resurshållningen behövts ses över. Ytterligare har det även bidragit till att metoder inom vattenhantering och effektivisering av vattenanvändning utvecklats (Wan Alwi & Manan 2013).

Wan Alwi & Manan (2013) beskriver att vattenhanteringshierarki (WMH) kan användas som vägledning för att arbeta utifrån ett holistiskt ramverk inom vattenhantering. WMH består av olika nivåer och dessa kan illustreras i form av en pyramid, där prioritetsgraden sjunker från toppen till botten av pyramiden, se figur 1. I toppen av hierarkin finns det första steget som innebär att minskning av färskvattenanvändning inom industrin bör ske genom att eliminera den och undvika att använda den alls. Exempelvis kan det handla om att använda sig av luft istället för vatten i de processer som kräver kylning. Det är emellertid svårt att eliminera vatten helt i vissa processer och nästa steg är att reducera vattenanvändningen genom att se över delprocesser eller utrustning som opererar med vatten. Vid användning av vattenströmmen som härstammar från en processenhet utan att den renas eller regenereras till en annan processenehet kallas detta för direkt återanvändning av vatten och är nästa steg i pyramiden. Utvärdering av möjligheten för direkt återanvändning av vatten kan genomföras med hjälp av vatten-pinchanalys (WPA) som är en processintegrationsteknik där målframtagning i form av minimalt färskvatten (FV) intag och avloppsgenerering sker (Manan Z. A. & Alwi 2007).

Direkt återanvändning kan vara möjligt i viss utsträckning. Anledningen till att återanvändningen kan vara begränsad handlar om att vattenströmmens renhet är låg d.v.s. alltför höga föroreningar förekommer i strömmen, strömmen behöver i dessa fall renas eller regenereras för att kunna användas och detta leder till nästa steg i hierarkin, regenerering. Regenerering syftar till partiell behandling av processvatten för vidare användning. Det finns två olika typer av regenerering: regenerering med återvinning och regenerering med återanvändning. Den första typen av regenerering handlar om att återanvända samma vattenström i samma process eller enhet efter att den behandlats. Den andra handlar om att återanvända den behandlade vattenströmmen i andra enheter eller processer. I botten av pyramiden finns det minst

2

önskade alternativet, att använda FV, vilket ska genomföras om inget annat alternativ anses lämpligt inom processen eller om avloppsvatten behöver spädas ut för att uppnå en viss renhet.

Figur 1.-WMH ger vägledning i hur reducering av färskvattenanvändning ska genomföras utifrån ett holistiskt perspektiv. Bearbetad från Wan Alwi & Manan (2013).

Inom papperstillverkning används vatten för olika ändamål och vattenåtgång för olika typer av pappersbruk varierar beroende på önskad slutprodukt. För att kunna utvärdera mängden vatten som används i ett pappersbruk används nyckeltalet specifik vattenanvändning (SWC) i 𝑚³/𝑡𝑜𝑛 producerat papper d.v.s. vattenmängden som krävs för produktion av ett ton lufttorkat papper, se tabell 1.

Tabell 1.- Typiska SWC för moderna pappersbruk jämfört med situationen 1971 (Paulapuro 2008).

Papperskvalitet SWC (m3/ton) Modern tid

SWC (m3/ton) 1971

Tidningspapper 5-15 85

Finpapper 5-10 180

LWC-papper 8-17 -

SC-papper 8-15 120

Mjukpapper (Tissue) 5-15 290

Liner & Fluting 2-10 40-85

Kartong 8-15 130

Utifrån tabell 1 varierar SWC mellan 2–20 m3/ton. I äldre pappersbruk kan SWC vara högre på grund av dess bristfälliga processdesign. Det syns en skillnad i vattenförbrukning mellan åren och det beror främst på återanvändning av vatten inom processen, införandet av tillräckligt stort lager av processvatten, användning av mer effektiva maskiner, separation av strömmar med olika kvalitet samt en förbättrad design av processen (Paulapuro 2008).

Det finns flertalet drivkrafter för att minska färskvattenanvändningen i vattenkrävande processer. Dels kan det handla om lagstiftning och tillståndskrav som reglerar vattenuttag och utsläpp. Det kan även handla om kostnader som förekommer med processvatten som efter utnyttjande ska behandlas för att kunna uppnå rätt kvalitet innan det släpps ut till recipient. I områden där vatten som resurs

3

anses bristfälligt tillkommer fördelar med att ha en väl genomtänkt vattenhantering.

En minimal användning av färskvatten i processen innebär att en process kan hållas mer stabil ifall minskningen av vattenförbrukning innebär mindre intag av nytt vattentillskott. Minskning av vattenförbrukning leder även till energibesparingar ifall uppvärmning av vatten sker inom processen (Paulapuro 2008). Sammantaget leder en minskning av färskvattenanvändningen till reducering av vattenkostnader samt en mindre mängd genererat avloppsvatten.

1.1 Beskrivning av Rexcell och Duni AB

Rexcell är en del av Duni AB som startade sin produktion för papperstillverkning 1898. Produktionsanläggningen för Rexcell befinner sig i Skåpafors, Dalsland och produktionen avser enbart mjukpapper(tissue). Företaget var först med att producera den färgade servetten och även först med att kommersialisera Airlaid-teknologin.

Duni levererar innovativa dukningskoncept och kreativa förpackningar och take- away lösningar till företagskunder men även privatpersoner. Dunis produkter finns i över 40 marknader världen över och produkterna används huvudsakligen för engångsbruk. Företaget sysselsätter 2500 människor i 24 länder och är noterat på NASDAQ Stockholm.

Rexcell är ett ISO14001 certifierad pappersbruk som visar på att miljöledningssystemets arbete uppfyller de internationella standarderna.

Utgångspunkt i standarden ISO14001 är att företaget visar kontinuerlig förbättring av miljöaspekter som anses vara betydande inom verksamheten (SIS 2020).

Miljöaspekterna som behandlas kan vara direkta eller indirekta och förknippas med verksamhetens olika processer. Vattenanvändning i papperstillverkningen är ett område som Rexcell identifierat som en betydande miljöaspekt och som ingår i deras hållbarhetsarbete.

I pappersbruket produceras både vitt papper och färgat mjukpapper. Det finns två pappersmaskiner i pappersfabriken och dessa benämns PM1 och PM2. PM1 avser produktion för vitt mjukpapper medan PM2 avser produktionen för färgat papper.

Framtagning av SWC för PM1 genomfördes och dessa finns redovisade i tabell 2.

Tabell 2.- Framtagna SWC för PM1.

Undre gräns Övre gräns Medelvärde

FV intag (l/min) 649 1198 924

Intervall SWC (m3/ton producerat papper)

11-12 20-21 15-17

4 1.2 Problemformulering och syfte

En effektiv vattenanvändning inom processindustrin är önskvärd till följd av begränsat vattenuttag i områden med vattenbrist samt striktare krav kring miljöutsläpp. Vattenanvändningen kan effektiviseras genom återanvända/återvinna vattnet i processen så långt som möjligt vilket i sin tur leder till minskning av processvatten som går till reningsverket. För att kunna genomföra genomtänkta åtgärder inom rätt område i tillverkningsprocessen behövs en metod som bidrar till en systematisk vattenreducering. Arbetets syfte är att undersöka hur processintegrationstekniken vatten-pinchanalys (WPA) kan tillämpas i papperstillverkningsprocessen för att minska vattenanvändningen.

1.3 Mål

Arbetets mål består av att ta fram en validerad Excel-modell med inbyggd målframtagningsmetod och använda en systematisk metod för vattennätverksdesign som fastställer minimikraven för vattenanvändning vid papperstillverkning. Målet är även att kunna ge rekommendation på hur framtagning av processinformation ska genomföras vid tillämpning av WPA i processen utifrån en känslighetsanalys.

Det övergripande målet med arbetet är att bistå Rexcell med en processintegrationsmetod som kan tillämpas på papperstillverkningen och som kan användas för att identifiera förbättringsmöjligheter inom vattenanvändning.

1.4 Avgränsning

Vid användning WMH är det viktigt att notera den mest fördelaktiga lösningen för systemet i sin helhet inte erhålls utan syftet med WMH är att minska vattenanvändning. Ett exempel på detta kan vara att istället för vatten använda luft som exempelvis kylmedium vilket kräver större fläktar och det kan leda till högre elförbrukning istället. Således ska WMH endast ses som vägledning till att få en förbättring i vattenkrävande processer.

Inhämtade processinformation från perioden 2020-02-22 och 2020-03-22 användes för framtagning av SWC för PM1. Utifrån informationen att produktionen av mjukpapper under ett år uppgår till 25000–27000 ton torkat papper och antagandet av produktionseffektiviteten på 85 % samt att det genomsnittliga intaget av FV under en månad antas vara densamma för alla månader under ett års tid togs nyckeltalet SWC fram för PM1, se tabell 2. Endast PM1 SWC togs fram och antas gälla för båda maskinerna då dessa antas vara identiska.

Regenerering av vatten undersöks inte i rapporten utan endast återanvändning av vatten.

5

2 Teori

I detta avsnitt ges läsaren en introduktion till processintegration (PI) och massintegration (MI). Sedan följer en beskrivning av WPA och dess metoder vid tillämpning. Slutligen beskrivs papperstillverkningsprocessen och dess anknytning till WPA.

2.1 Processintegration (PI) och massintegration (MI)

En generell definition av processintegration som antogs av den internationella energibyrån (IEA) är:

”Systematic and general methods for designing integrated production systems ranging from individual Processes to Total sites and with special symphasis on the efficient use of energy and reducing enviromental effects” (Gundersen 2000, citerad i Klemeš Jiři Jaromir 2013).

PI består av metoder som kombinerar olika processer för att minska resursanvändningen och minimera miljöbelastningen (Friedler 2010). Utvecklingen av processintegration och dess metoder påbörjades under 1970-talet med syntes av värmeväxlarnätverk och var ett sätt att tackla oljekrisen som skedde vid den tiden.

Det blev naturlig att utvecklingen av PI skedde inom energiområdet där energieffektivitet och energibesparingar var målen och fokus låg på energiåtervinning och energiintegration. Den integrationsteknik som utmärkt sig genom att vara enkel att använda, tillämpa och som ger omedelbart resultat på förbättringsmöjligheter är pinchanalysen (PA) (Morar & Agachi 2010).

Konceptet PA introducerades genom att grafiskt representera ett värmeväxlarsystem med temperatur som funktion av entalpi, den s.k. termisk pinch analys (TPA). I TPA analyseras energibehovet i systemet genom att dela upp strömmar i två grupper. I den ena gruppen ingår de strömmar som behöver öka sitt termiska innehåll d.v.s behöver värmas och i den andra gruppen ingår de strömmar som behöver kylning.

De olika grupperna ritas sedan i den s.k. kompositkurva, se figur 2 (Klemeš Jiři Jaromir 2013).

6

Figur 2.- Kompositkurva för en TPA. Bearbetad från Klemeš Jiři Jaromir (2013).

Utifrån figur 2 syns att kurvorna överlappar varandra till viss del och det utgör den teoretiskt maximala värmeåtervinningen som kan ske i processen. Figur 2 visar även att det minsta avståndet mellan kurvorna sker vid den s.k. Pinch-punkten d.v.s. den punkten där drivkraften ∆𝑇_𝑚𝑖𝑛 för värmetransport är minimal. ∆𝑇_𝑚𝑖𝑛 är en ekonomisk faktor som indikerar en god utväxling mellan investering och driftkostnad. Pinch-punkten används för att bestämma målvärden i form av minimalt behov av extern uppvärmning och kylning samt för skapandet av ett optimalt värmeväxlarnätverk. Framtagning av det optimala värmeväxlarnätverket sker i två steg. I det första steget skapas ett grundnätverk med hjälp av procesströmmarna som finns i det befintliga systemet och målvärden som bidrar till att maximal återvinning av energi tas fram. Andra steget handlar om att modifiera grundnätverket och skapa ett mer genomtänkt nätverk med användning av måltemperaturer som dimensionerande parametrar. För att skapa en systematisk design delas områden i figur 2 i två regioner: över pinch region och under pinch region. Inom varje område används ∆𝑇_𝑚𝑖𝑛 som dimensionerande parameter för att se till att ingen överträdelse sker över pinch-punkten då det kommer att ha en inverkan på det externa behovet av energi (Gundersen 2013).

Tillvägagångsättet av PI sker i olika faser: identifiering av område, framtagning av information, målsökning, modifiering av nätverk och design av nätverk. Den första fasen innefattar identifiering av PI-området, exempelvis energiintegration eller massintegration (MI) med syfte till vattenreducering. Vidare sker framtagning av relevant information utifrån problemformuleringen för att sedan anpassa detta till PI- området och dess standardiserade form. Inom energiintegration används exempelvis procesströmmar som representerar värme eller kylbehov och som innehar start-mål temperaturer, entalpiförändring och värmeflöde. Framtagning av relevant information är en tidskrävande och kritisk aktivitet eftersom kvalitet och design av processen beror på riktigheten i informationen. Den andra fasen innefattar målsökande och innebär framtagning av målvärdena för processen som analyseras.

Tredje fasen innefattar processmodifiering och innebär förändring av process- strömmarnas egenskaper för att erhålla ytterligare förbättring i nätverket. I värmeintegration skulle en sådan modifiering kunna vara att driftegenskaper för en

7

reaktor i processen ändras. Fjärde fasen innebär design av process-nätverket för återvinning eller återanvändning av resursen som är av intresse. Nätverksdesign genomförs genom att ta hänsyn till målvärden och de modifieringar som genomförs i tidigare skede (Gundersen 2013).

Tillämpningen av PI har utvecklats under åren och idag finns det flera områden utöver integration av värme i processer. Under de senaste decennierna har medvetenheten kring miljöbelastningen från processindustrin ökat, samtidigt som striktare regler och krav kring utsläpp från vattenkrävande processer tillkommit.

Vidare har detta bidragit till att processintegrationsmetodens tillämpningsområden utökats. Bland de områden där principen hos PI-tekniken kan tillämpas finns MI och resursbevarande, där reducering av vatten är den grenen som är mest utbredd. MI som teknik utvecklades av El-Halwagi och Manousiouthakis och tillämpas inom processer för separation och återvinning av vatten. Vid MI sker ett massutbyte mellan en procesström innehållande en hög halt av föroreningar till en process-ström med lägre halt av föroreningar så att önskad koncentration erhålls i varje ström (El- Halwagi M. M. m.fl. 2003). Jämfört med energiintegration som är en systematisk metod som bidrar med grundläggande insikter kring energianvändningen inom en process och dessa insikter kan användas till att optimera processen, leder MI till grundförståelse för de globala flödena inom en process och dessa kan användas för att identifiera förbättringsmöjligheter och möjliggöra en optimering av materialflöden genom processen (El-Halwagi Mahmoud M. 2006; Varbanov 2013).

2.2 Vatten-pinchanalys (WPA)

WPA är idag den systematiska metod som används för att implementera vattenminskande strategier i olika processer för maximal vatteneffektivitet genom MI (Manan Z. A. m.fl. 2004; Saw m.fl. 2011; Skouteris m.fl. 2018). Det finns olika tillvägagångsätt för att kunna uppnå maximal vatteneffektivitet: grafiska och numeriska tekniker. Grafiska tekniker går ut på att med hjälp av processinformation ta fram kompositkurvor som möjliggör den optimala integrationen mellan de olika enheterna i processen (Jin-Kuk Kim 2013). Numeriska tekniker involverar uppbyggnad av metoder i programmeringsspråk genom algoritmer för att kunna ta fram målvärden och är lämpad för att kunna hantera iterationer som kan förekomma vid tillämpning av grafiska metoder (Manan Z. A. & Alwi 2007; Manan Zainuddin Abdul m.fl. 2009).

Det finns analogier mellan TPA och WPA som möjliggör tillämpning av metoden inom vattenområden. I en TPA beskrivs den kvalitativa parametern av strömmarna i processen med temperaturer medan i en WPA utgörs den kvalitativa parametern av koncentrationer och mäts i form av exempelvis COD, TSS och salter (Castaño &

Higuita 2016). Vidare utgörs den kvantitativa parametern i en TPA av energiflöden och i WPA av vattenflöden. De kalla och varma strömmarna i en TPA utgörs av vattensänkor (SK) respektive vattenkällor (SR) i en WPA (Wan Alwi & Manan 2013; Nemati-Amirkolaii m.fl. 2019).

8

I förhållande till WMH omfattar tillämpningen av WPA nivåerna eliminering, reducering och återanvändning av FV i processer. Analogt med PI tillvägagångsätt ingår i WPA följande steg: analys av vattennätverk, framtagning av processinformation, målsökning av minimalt FV behov och avloppsgenerering och design av nätverk samt utvärdering av nätverket. Nedan beskrivs de olika stegen vid genomförandet av WPA.

2.2.1 Analys av vattennätverket

I detta steg analyseras det befintliga vattennätverket genom att se över flödesprocess- diagrammet som erhålls från personal, informationssystem och dokumentation. De enheter som finns i det befintliga systemet undersöks för att kunna utforska möjligheten till återanvändning och recirkulering av vatten.

Generellt kan processer som använder sig av vatten klassificeras som massöverföringsbaserade (oförändrat massflöde, MTB) och icke massöverföringsbaserade (oförändrad föroreningsmängd, NMTB).

I MTB processer används vatten som separationsmedel samt för att minska föroreningskoncentrationen(rengöring) från den procesström där föroreningskoncentrationen är hög. Reningsprocesser är exempel av MTB processer.

Inom papperstillverkning sker exempelvis tvättning av massan i flera steg för att avskilja smuts och oönskade partiklar och klassificeras som MTB-process (Paulapuro 2008). Processerna i MTB är kvalitetskontrollerade och varje process har en fast föroreningsbelastning. Den maximala och minimala inlopps- respektive utloppskoncentrationen är specificerade beroende på typen av förorening som anses vara betydande i processen. Flödet av vattnet som kommer in och lämnar enheten är densamma d.v.s. vattenflödet i enheten antar olika värden så länge koncentrationsbegränsningar inte överträds och föroreningsbelastningen förblir densamma (Manan Z. A. m.fl. 2004; Prakash & Shenoy 2005).

NMTB processer är kvantitet kontrollerade och vatten används inte som separationsmedel. För NMTB processer förekommer att det endast finns sänkor och källor då exempelvis vatten förångas respektive när vatten genereras i form av att ånga kondenserar. Enheterna har specifikt vatteninflöde samt utflöde och dessa behöver vanligtvis inte vara av samma storlek d.v.s. vattenförluster kan förekomma.

Exempel på NMTB kan vara processer där vatten matas in som råmaterial och processer där vatten förbrukas, erhålls som produkt eller som biprodukt. Inom papperstillverkning med återvunnet material förångas häften av vattnet som tas in och klassificeras som NMTB (Paulapuro 2008). Vatten är inte avsett för att transportera föroreningar mellan olika procesströmmar. I NMTB processer är inloppsflödet och utloppsflöde av stor vikt (Manan Z. A. m.fl. 2004; Prakash &

Shenoy 2005).

Förutom klassificering av enheterna i processen ingår även identifiering av vilka strömmar i processen som kan vara tillgängliga för återanvändning. Även den begränsande nyckelföroreningen för processen identifieras, exempelvis kan ett mått

9

för organiska material i avloppsvatten vara kemisk syreförbrukning (COD) och suspenderade ämnen (SS). Enhetsoperationen som genererar vatten för återanvändning benämns källor (SR) och enhetsoperationen som är i behov av vatten med en viss kvalitet benämns som sänkor (SK) i systemet.

2.2.2 Framtagning av processinformation

Detta steg är tidskrävande och kritiskt på grund av att informationen utgör grunden i de designlösningar som tas fram i slutändan(Foo D. C. Y. m.fl. 2006). Kunskap om hur procesströmmarna ska behandlas är av stor vikt. I detta steg väljs den begränsande föroreningen för återanvändning av vattnet i vattensystemet ut.

Systemet kan modelleras för att endast ta hänsyn till en förorening eller för att ta hänsyn till flera föroreningar. Genom att ta hänsyn till flera föroreningar ökar komplexiteten av analysen som ska genomföras och i vissa fall kan föroreningar av liknande karaktär sättas ihop. Totalt suspenderade ämnen (TSS) och kemisk syreförbrukning (COD) är typer av kvalitetsmått som möjliggör att modellering av processen genomförs för att endast ta hänsyn till en föroreningstyp. Genom att undersöka föroreningarnas effekt på processen väljs lämpligt alternativ för analys.

Efter val av lämplig nyckelförorening undersöks den begränsande koncentrationen och även vattenflöden för SK och SR i systemet. Begränsningar kan finnas i processen i form av att en enhet kräver vatten av en viss kvalitet för att undvika igensättning. För SR kommer maximala koncentrationen och minimala flödet att behöva tas fram från processen. För SK hämtas information från historiska variationer, uppskattningar från driftpersonal eller utrustningens specifikation.

Inhämtad information i form av koncentration och massflöden kommer att utgöra grunden för framtagning av målvärden (Wan Alwi & Manan 2013).

2.2.3 Målsökning

Framtagning av information bidrar till att sökning efter målvärdena kan genomföras.

Målvärdena innefattar minimalt vattenintag och minimal avloppsgenerering. Det finns olika metoder för att genomföra målsökningen och dessa kan vara grafiska och numeriska. Bland de grafiska metoderna finns den begränsande kompositkurvan (limiting composit curve, LCC) och sänka/källa kompositkurva (SSCC). Bland de numeriska är vattenkaskadanalys (WCA) den metod som tillämpas i hög grad. Båda metoderna såväl grafiska som numeriska ger samma resultat och kompletterar varandra. Genom grafiska metoder erhålls en helhetsbild av processen som analyseras och med den numeriska metoden erhålls en noggrannare bild av processen och metoden är effektiv i de fall där iterationer förekommer (Foo D. C. Y. 2007;

Wan Alwi & Manan 2013). Nedan följer en beskrivning av metoderna som används vid målsökning och hur dessa förhåller sig beroende på klassificering av processen utifrån avsnitt 2.2.1.

10 2.2.3.1 LCC

I LCC ritas föroreningskoncentrationerna och föroreningsbelastningen i en graf.

Varje processenhet antas ha samma vatteninflöde och vattenutflöde. Massöverföring sker mellan procesströmmarna. Genom att specificera den maximala inlopp- och utloppskoncentrationerna för varje processenhet kan en begränsningsprofil ritas.

Profilerna kan sedan sammanföras för att bilda den begränsande kompositkurvan.

En linje som når kompositkurvan ritas in grafen och kommer att ge information gällande den minsta vattentillförseln, innehar noll föroreningskoncentration och föroreningsbelastning från start. Punkten där linjen når kompositkurvan identifieras som pinch-punkten, se figur 3. LCC lämpar sig väl för MTB processer men inte för processer där förlust av vatten förekommer. LCC omöjliggör modellering av pannor och kyltorn på grund av att förorening som tas upp inte är av intresse utan vattenflödet (Hallale 2002; Wan Alwi & Manan 2013).

Figur 3.- Illustrativ bild av LCC, där linjen i orange är kompositkurvan och linjen i blå är vattentillförseln. Gråa cirkeln visar pinch-punkten. Bearbetad från Hallale (2002).

2.2.3.2 SSCC

SSCC används för framtagning av färskvattenanvändning och mängden vatten som kan återvinnas i processen. Källorna och sänkorna ordnas i ökande föroreningskoncentration. Sedan beräknas föroreningsbelastningen genom att multiplicera procesströmmarnas massflöde med respektive föroreningskoncentration. Källornas och sänkornas kompositkurva ritas sedan in i en graf med flöden på x-axeln och med föroreningsbelastning i y-axeln. En förflyttning av källornas kompositkurva sker sedan i horisontellt led tills kurvorna når varandra.

Pinch-punkten identifieras på stället där dessa två kurvor möts. Överlappning av kurvorna redovisar den mängden av källornas vatten som kan återvinnas. Öppningen som uppstår mellan sänkans kompositkurva och källornas kompositkurva både över och under pinch-punkten är det genererade avloppsvattenflödet respektive den minimala mängden FV som processen kräver. Metoden är tillämpningsbar för både MTB och NMTB processer (Foo D. C. Y. 2009; Wan Alwi & Manan 2013). Se figur 4.

11

Figur 4.- I bilden syns de skapade kompositkurvorna och överlappning som sker vid horisontell förflyttning. Bearbetad från Wan Alwi & Manan (2013).

2.2.3.3 WCA

WCA är motsvarigheten till sänka/källa kompositkurva med skillnaden att den går att automatisera med hjälp av olika programmeringsverktyg och iterationer undviks.

I början antas att ingen vattentillförsel sker och en kaskadanalys genomförs för de procesströmmar som finns i systemet. Genom WCA kan minimala FV intag, minimal generering av avloppsflöde, minimala regenereringsflödet vid införande av regenereringsenheter samt även pinch-punken för processen under analys fastställas (Foo D. m.fl. 2003; Tan m.fl. 2007). Metoden är tillämpningsbar för både MTB och NMTB processer.

De olika stegen vid genomförandet av WCA för en process där hänsyn tas till endast en nyckelförorening vid analys består av (Foo D. m.fl. 2003; Manan Z. A. m.fl.

2004):

Steg 1.- Sätta upp intervallvattenbalansen för nettovärdet av vattenkällorna och vattensänkorna. Andra kolumnen i vattenkaskadtabellen, se tabell 3, innehåller föroreningarnas koncentrationsnivåer (𝐶_𝑘) i stigande ordning. Multiplar av koncentrationerna i processen utesluts. Det sista raden i koncentrationskolumnen sätt still 10⁶ ppm och antas vara den högsta nivån av föroreningskoncentration.

Indexering, 𝑘 , genomförs för varje koncentrationsnivå Ck och placeras i första kolumnen.

Steg 2.- Nästa steg är att ta fram andelen rent vatten i en förorenad ström. Parametern benämns vattenrenhet (𝑃_𝑘) och beräknas enligt ekvation 1. Värdet placeras i tredje kolumnen.

𝑃 =^{1000000−𝐶𝑘}

1000000 , (1)

Steg 3.- Sedan beräknas vattenrenhetsskillnad (∆𝑃) mellan renhetsnivån k och k+1 och värdet placeras i fjärde kolumnen.

12

Steg 4.- Femte och sjätte kolumnen innehåller det totala flödet av sänkorna och källorna vid respektive föroreningsnivå. Källornas vattenflöde är positivt och sänkornas är negativt. Nettosumman av sänkornas och källornas flöde placeras i den sjunde kolumnen. Ett positiv värde i sjunde kolumn innebär att vatten finns tillgängligt och ett negativ värde innebär att sänkans behov inte är uppfyllt.

Steg 5.- För att ta fram FV behovet och avloppsgenerering kaskadkopplas nettoflöden av källor respektive sänkor i åttonde kolumnen, 𝐹_𝑐,𝑘. Första värden i kolumnen sätts till noll för att ta fram preliminära värdet av FV intaget.

Steg 6.- I nionde kolumnen beräknas värdet av rent vattenöverskott eller underskott.

Värdet beräknas genom att multiplicera det kumulativa värdet av totala flöden 𝐹_𝑐,𝑘, för källor respektive sänkor med renhetsskillnad (∆𝑃) mellan två renhetsnivåer.

Ett positivt värde innebär att vattenkvalitén är högre än vad som krävs i den regionen.

Ett negativt värde innebär att vatten av bättre kvalitet behövs.

Steg 7.- I den tionde kolumnen kaskadkopplas det beräknade värdet av rent vattenöverskott eller underskott för att ta fram den kumulativa mängden

∆𝑚_𝑐,𝑘 av rent vattenöverskott eller underskott. Ett negativt värde innebär att vattenkvaliteten inte är tillräcklig och beror på att antagandet om noll FV intag.

Genom tillförsel av tillräcklig mängd FV försvinner vattenunderskotten och en genomförbar vattenkaskadtabell erhålls.

Steg 8.- För att ta fram mängden FV som behövs för att få en genomförbar vattenkaskadtabell beräknas ett intervall 𝐹_{𝐹𝑉,𝑘}, där tillgängligt vatten och behov av vatten förekommer för varje renhetsnivå k. Värdena placeras i den elfte kolumnen.

Ekvation 2 används för beräkning av 𝐹𝑉_𝑘. 𝑃_𝐹𝑉 är renheten på FV och 𝑃_𝑘 är renhet för den indexering som är av intresse.

𝐹𝑉_𝑘 = 𝐾𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑟𝑒𝑛𝑡 𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛ö𝑣𝑒𝑟𝑠𝑘𝑜𝑡𝑡/𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟𝑠𝑘𝑜𝑡𝑡

𝑃_𝐹𝑉−𝑃_𝑘 , (2)

Ett negativt värde för 𝐹𝑉_𝑘 innebär att mängden FV är otillräcklig och ett positivt värde innebär att det finns vatten i överskott vid den renhetsnivån. För att säkerställa att det finns tillräcklig med FV för alla processer i vattennätverket bör FV flödet till processen vara densamma som det minsta negativa värdet för 𝐹𝑉_𝑘.

13

Tabell 3.- Vattenkaskadtabell. Bearbetad från Shukla S. K. m.fl. (2013).

Kolumn

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Index Koncentration Renhet Renhetsskillnad Källor Sänkor Netto flöden

Kumulativa netto

Rent vatten överskott/underskott

Kumulativa rent vatten

överskott/underskott

Intervall för FV behov

𝒌 𝐶_𝑘 𝑃_𝑘 ∆𝑃_𝑘 ∑ 𝑆𝑅𝑘 ∑ 𝑆𝐾𝑘 ∑ 𝑆𝐷𝑘

− ∑ 𝑆𝑅_𝑘

𝐹_𝑐,𝑘 ∆𝑚_𝑘 ∆𝑚_𝑐,𝑘 𝐹_{𝐹𝑉,𝑘}

- ppm - - ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h ton/h

𝐹_𝐹𝑉

1 𝐶₁ 𝑃₁ 𝑆𝑅₁ 𝑆𝐾₁ 𝑆𝑅₁

− 𝑆𝐾1

0

𝑃1−2 𝐹𝑐1 ∆𝑚1

2 𝐶2 𝑃2 𝑆𝑅2 𝑆𝐾2 𝑆𝑅2

− 𝑆𝐾2

∆𝑚𝑐,2 𝐹𝐹𝑉,2

𝑃2−3 𝐹𝑐2 ∆𝑚2

3 𝐶₃ 𝑃₃ 𝑆𝑅₃ 𝑆𝐾₃ 𝑆𝑅₃

− 𝑆𝐾3

∆𝑚_𝑐,3 𝐹_𝐹𝑉,3

𝐹_𝑐3 ∆𝑚₃

: : : : : : : : : :

: : : : : : : : : :

n-3 𝐶_𝑛−3 𝑃_𝑛−3 𝑆𝑅_𝑛−3 𝑆𝐾_𝑛−3 𝑆𝑅_𝑛−3

− 𝑆𝐾_𝑛−3

∆𝑚_𝑛−3 𝐹_{𝐹𝑉,𝑛−3}

𝑃_{𝑛−3−𝑛−2} 𝐹_{𝑐,𝑛−3} ∆𝑚_𝑛−3

n-2 𝐶_𝑛−2 𝑃_𝑛−2 𝑆𝑅_𝑛−2 𝑆𝐾_𝑛−2 𝑆𝑅_𝑛−2

− 𝑆𝐾𝑛−2

∆𝑚_𝑛−2 𝐹_{𝐹𝑉,𝑛−2}

𝑃𝑛−2−𝑛−1 𝐹𝑐,𝑛−2 ∆𝑚𝑛−2

n-1 𝐶𝑛−1 𝑃𝑛−1 𝑆𝑅𝑛−1 𝑆𝐾𝑛−1 𝑆𝑅𝑛−1

− 𝑆𝐾𝑛−1

∆𝑚𝑛−1 𝐹𝐹𝑉,𝑛−1

𝑃𝑛−1−𝑛 𝐹𝑐,𝑛−1 ∆𝑚𝑛−1

n 𝐶_𝑛 𝑃_𝑛 𝑆𝑅_𝑛 𝑆𝐾_𝑛 𝑆𝑅_𝑛

− 𝑆𝐾_𝑛

∆𝑚_𝑛 𝐹_{𝐹𝑉,𝑛}

𝑃_{𝑛−𝑛+1} 𝐹_𝑐,𝑛 ∆𝑚_𝑛

n+1 10^6 𝑃_𝑛+1 𝑆𝑅_𝑛+1 𝑆𝐾_𝑛+1 𝑆𝑅_𝑛+1

− 𝑆𝐾𝑛+1

∆𝑚_𝑛+1 𝐹_{𝐹𝑉,𝑛+1}

2.2.4 Nätverksdesign

Metoderna inom nätverksdesign används för att se till att målvärdena som tagits fram under målsökning uppfylls. Proceduren för processmodifiering beror på sänkornas och källorna position i förhållande till pinch-punkten som tas fram. Det finns tre viktiga regler när vatten ska återanvändas i processen. Den första regeln handlar om att inte tillföra vatten till källorna som är över pinch-punkten. Källorna som befinner sig över pinch-punkten ska inte förse sänkorna under pinch-punkten med vatten. Den andra reglen handlar om att börja matchningen av process-strömmar med sänkan som innehar den lägsta föroreningskoncentrationen. Den tredje regeln handlar om att matchningen av sänkor ska ske en efter en tills behovet som sänkorna har gällande koncentration och flöde uppfylls. Bland metoderna för nätverksdesign har följande metoder hittats: källa/sänka kartläggningsdiagram (SSMD, källa/sänka allokering kompositkurva (SSAC) och närmastegrannen metoden (NNA) (Wan Alwi & Manan 2013). En kort beskrivning av metoderna för nätverksdesign och dess relevans följer nedan.

14 2.2.4.1 SSMD

SSMD går ut på att systematisk mixa källornas strömmar med varandra och vid behov även blanda in en viss mängd FV så att sänkornas behov i form av koncentration och flöde uppfylls, se figur 5. Vattensänkor ställs upp i stigande föroreningskoncentration i horisontell led medan källorna placeras i vertikalt led i stigande föroreningskoncentration. Mängden vatten som kommer att behöva mixas med källornas strömmar bestäms genom att beräkna föroreningsbelastningen förknippad med sänkan. De utfall som kan erhållas är följande:

a) Om mängden vatten vid mixning av endast källornas strömmar uppfyller sänkans behov kommer inte FV att behöva tillföras.

b) Om mängden vatten vid mixning av endast källornas strömmar inte uppfyller sänkans behov kommer FV att behöva tillföras.

c) Om mängden vatten vid mixning av endast källornas strömmar är större än sänkans behov i form av föroreningskoncentration, bör sänkans behov uppfyllas delvis genom att använda sig av en källa med högre föroreningskoncentration.

Begränsningar vid nätverksdesign mellan SR och SK är följande:

a) För SK gäller:

i) Flöde

∑ 𝐹_𝑖,𝑗

𝑖

= 𝐹_{𝑆𝐾,𝑗}

Där 𝐹_𝑖,𝑗 är flödet som finns tillgänglig från källan 𝑖 till sänkan 𝑗. 𝐹_{𝑆𝐾,𝑗} är flödet som behövs för att tillfredsställa sänkan 𝑗.

ii) Koncentration

∑ 𝐹_{𝑖 𝑆𝑅𝑖,𝑆𝐾𝑗}× 𝐶_𝑖

∑ 𝐹_{𝑖 𝑆𝑅𝑖,𝑆𝐾𝑗} < 𝐶_{𝑚𝑎𝑥,𝑆𝐾𝑗}

Där 𝐶_𝑖 är föroreningskoncentrationen av källa 𝑖 och 𝐶_{𝑚𝑎𝑥,𝑆𝐾𝑗} är den maximala tillåtna föroreningskoncentrationen av sänka 𝑗.

a) För SR gäller:

∑ 𝐹_{𝑆𝑅𝑖,𝑆𝐾𝑗}

𝑖

< 𝐹_𝑆𝑅𝑖

Där ∑_𝑖𝐹_{𝑆𝑅𝑖,𝑆𝐾𝑗} är summan av flöden från källorna som ska tillgodose sänkan och 𝐹_𝑆𝑅𝑖 är flödet som krävs.

15

Figur 5.- Principen av SSMD. Bearbetad från Polley & Polley 2000, citerad i Wan Alwi &

Manan (2013).

Denna metod kan tillämpas utan att framtagning av målvärdena sker.

Nätverksdesignen med hjälp av denna metod ger i vissa fall nätverk som inte uppfyller de framtagna målvärdena, därför är det viktigt att kontrollera att målvärdena i form av FV intag och avloppsgenerering uppfylls efteråt. Vid uppbyggnad av vattennätverket med hjälp av metoden kan begränsningar gällande vissa anslutningar införas och dessa kan bero på anläggningens specifika krav kring säkerhet. Dessa begränsningar kan i vissa fall även leda till att målvärdena inte uppfylls (Wan Alwi & Manan 2013).

2.2.4.2 SSAC

SSAC går ut på att källan med lägsta koncentration ska tillgodose sänkan med lägst koncentration. Kompositkurvor ritas i en graf. Denna metod påminner om metoden som används i Källa/sänka kartläggningsdiagram. Proceduren av metoden handlar om att sänkans behov ska tillgodoses med vattenkällorna och ifall sänkans föroreningsbelastning inte är uppfylld ska FV tillföras, se figur 6. Den källan med lägst föroreningskoncentration ska återanvändas för att tillgodose behovet av sänkan.

Proceduren genomförs tills alla sänkor har sina behov uppfyllda. Metoden visar allokeringen mellan SR och SK. Det ursprungliga tillvägagångsättet med denna metod ledde till att den endast vara tillämpningsbar för de fall där man tillfredsställer sänkans behov i form av föroreningsbelastning men inte massflöde, se figur 7.

Införandet av regeln om att sänkans behov i form av både föroreningskoncentration och massflöde ska uppfyllas genom att använda sig av de källor med lägsta respektive högsta föroreningskoncentration utökade metodens tillämpning (El- Halwagi M. M. m.fl. 2003; Wan Alwi & Manan 2013).

16

Figur 6.- Källa/sänka kompositkurvor för allokering. 𝐹_{𝐹𝑉,𝑆𝐾1} betyder att färskvatten tillförs sänka 1. Bearbetad från El-Halwagi M. M. m.fl. (2003).

Figur 7.- Bild t.v. visar fallet då sänkans massflöde inte uppfylls och bild t.h visar fallet då sänkans föroreningsbelastning inte uppfylls. Bearbetad från El-Halwagi M. M. m.fl. (2003).

2.2.4.3 NNA

NNA-metoden som utvecklades av (Prakash & Shenoy 2005) möjliggör design av ett vattennätverk som uppfyller de framtagna målvärdena som erhölls i första delen av WPA utan att pinch-punkten överträds. Vid överträdelse av pinch-punkten erhålls FV-straff som leder till att det genererade avloppsvattnet ökar i mängd. Med hjälp av NNA sker framtagningen av en nätverksdesign med rätt allokering på ett systematiskt sätt. Tillämpningen av metoden omfattar både MTB och NMTB processer (Shenoy 2012).

Grundidén i NNA kan förklaras genom följande: För att tillgodose ett vattenbehov (vattensänka, SK) bör man leta efter kandidater (vattenkällor, SR) som innehar en koncentration som ligger närmast sänkans koncentration. Med andra ord ska sökning efter en källa som innehar en högre koncentration och en källa som innehar en lägre koncentration än sänkan genomföras så att dessa tillsammans tillgodoser vattenbehovet (Prakash & Shenoy 2005).

17

Om man antar ett problem med 𝑛 källor och 𝑚 sänkor. Källorna markeras 𝑆𝑅₁ till 𝑆𝑅_𝑛 och sänkorna 𝑆𝐾₁ till 𝑆𝐾_𝑚 och FV intaget som är en källa benämns 𝑆𝑅₀. Sänkans behov i form av koncentration och flöde ska uppfyllas samtidigt vilket görs genom att lösa ekvationerna (3) & (4), se nedan.

𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝}+ 𝐹𝑆𝑅(𝑘+1),𝑆𝐾𝑝 = 𝐹_𝑆𝐾𝑝, (3)

𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} × 𝐶_𝑆𝑅𝑘+ 𝐹𝑆𝑅(𝑘+1),𝑆𝐾𝑝× 𝐶_{𝑆𝑅(𝑘+1)} = 𝐹_𝑆𝐾𝑝𝐶_𝑆𝐾𝑝 (4)

Där 𝑆𝐾_𝑝 är sänkan vars behov ska uppfyllas genom att se över källorna 𝑆𝑅_𝑘 och 𝑆𝑅_(𝑘+1) där den första källan 𝑆𝑅_𝑘 har en föroreningskoncentration lägre än 𝑆𝐾_𝑝 och 𝑆𝑅_(𝑘+1) har föroreningskoncentrationen över 𝑆𝑅_𝑘. 𝐶 är koncentration och 𝐹 är flödet.

NNA- steg (Prakash & Shenoy 2005):

Steg 1.- Arrangera källorna och sänkorna i matrisform med stigande ordning med hänsyn till koncentrationen. Identifiera området där överträdelse av pinch-punkten kan ske och grå-markera dessa.

Steg 2.- Om källan 𝑆𝑅𝑝 har samma koncentration som 𝑆𝐾𝑝 gå till steg 3 annars gå till steg 4.

Steg 3.- Om 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} > 𝐹_𝑆𝐾𝑝 så kommer källan att uppfylla sänkans behov.

Uppdatering av 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} sker genom att räkna bort den storlek av flöde som sänkan var i behov av. Nästa sänka ska börja analyseras. Om 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} < 𝐹_𝑆𝐾𝑝 går hela flödet från𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} till sänkan och sökning efter nya grannar sker. 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} = 0

Steg 4.- Leta efter grannar med lägre koncentration än 𝑆𝐾𝑝. Beräkning av 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} och 𝐹𝑆𝑅(𝑘+1),𝑆𝐾𝑝 genomförs för att undersöka storleken på flöden som kommer att krävas från de närmaste grannarna.

Steg 5.- Om 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} och 𝐹𝑆𝑅(𝑘+1),𝑆𝐾𝑝 är lägre än det tillgängliga flödet från 𝐹_{𝑆𝑅𝑘,𝑆𝐾𝑝} och 𝐹𝑆𝑅(𝑘+1),𝑆𝐾𝑝 uppfylls sänkas 𝑆𝐾𝑝 behov och flödet för källorna uppdateras. Steg 2 påbörjas på nytt.

De olika stegen genomförs tills behovet för alla sänkor i form av koncentration och flöde uppfylls.

18 2.3 Papperstillverkningsteori

Massa och pappersindustri omvandlar fiberråvara till massa, papper och kartong. Det förekommer olika anläggningskategorier beroende på om anläggningen endast produceras massa(massabruk) för vidare bearbetning eller om anläggningen köper in massa eller återvunnet papper(pappersbruk) för vidare förädling. Vid endast produktion av massa eller förädling av inköpt eller återvunnet papper benämns anläggningen som icke-integrerad. Anläggningen som har en kombination av produktion av massa och förädling av massa benämns integrerad och är den vanligaste typen av anläggning. Vatten som resurs utgör en väsentlig roll i dessa anläggningar. Vid papperstillverkningen i ett icke-integrerat pappersbruk används vatten som svällmedel för fibrerna, lösningsmedel för kemikalier samt för att främja förädlingsprocessen och kontaktytan mellan fibrerna. Dessutom används vatten till bl.a. kylning av vakuumpumpar och även som rengöringsmedel (Hubbe 2007).

Papperstillverkningen sker i ett antal steg. Vid uppdelning av de processer som ingår i papperstillverkningen går det att urskilja olika process-områden. Dessa områden är: mäldberedning, formning, pressning och torkning. Nedan följer en mer detaljerad beskrivning av papperstillverkningsprocessen (Fellers m.fl. 1996; Paulapuro 2008).

2.3.1 Massa och mäldframställning

Vid mäldberedning förbereds massan som används för papperstillverkning och egenskaper som erhålls i detta steg påverkar slutprodukten. Massan kan utgöras av återvunnet papper eller nyfiber i balar. Balar av fibrer blandas med vatten och tillsatskemikalier i en eller flera massauppslagare.

I massa och mäldframställning ingår olika delsteg som är kopplade till varandra, dessa är fiberupplösning, rengöring, fibermodifiering, lagring och blandning.

Fibrerna genomgår de olika delsteg innan dem når formnings-sektionen. Enheter som ingår i massa och mäldframställning kan vara massauppslagarem, tryckavskiljare, raffinörer och lagringskar. Massauppslagaren behöver tillförsel av vatten för att forma en slurry av balarna som matas in. Fibermodifiering sker när fibrerna genomgår en eller flera raffinörer och dessa erhåller en viss egenskap beroende på typ av papper som önskas. Inget eller knappt något vatten tillförs vid fibermodifiering och vanligtvis syftar fibermodifiering till att utveckla fibrernas bindningsförmåga, förbättra fibernätverket och minska dräneringsmotståndet.

Tryckavskiljning används för att undvika skräp och smuts i våta änden av pappersmaskinen och kräver tillförsel av vatten. Mälden behandlas även med olika kemiska tillsatser för att förbättra våtstyrkan hos pappret, färgämnen och pigment tillsätts för att påverkas bladets färg, talk och lera för att förbättra dess optiska egenskaper. Det förekommer även lagringskar för att kunna få en homogen massa och på så sätt en kontinuerlig tillverkningsprocess. Maskinkaret och tappningskar är lagringsenheter som används innan mälden når inloppslådan och dessa behöver tillförsel av utspädningsvatten för att erhålla rätt konsistens. Utspädningsvatten kan vara i form av ett filtrat eller bakvatten. Mellan maskinkaret och inloppslådan finns den s.k. mäldflödessytem som används för att förädla massan ytterligare innan den når pappersmaskinen.

19

Till massa och mäldframställning räknas även olika återföringssystem med.

Återföringssystem kan vara bakvattensystemet, utskottssystem och fiberåtervinningssystemet samt kylningsvattensystem. Bakvattensystemets huvuduppgift är att återföra material och vatten som erhålls från bl.a.

formningssektionen för att minska materialförluster och vattenförbrukning.

Bakvattenkar, klarvattenkar, flotationstankar och filtreringsanordningar(skivfilter) är enheter som kan förekomma i bakvattensystemet för att återvinna fibrerna som erhålls från formningssektionen och även för att rengöra processvatten eller avloppsvatten. Filtratet som erhålls från flotationstankar används som utspädningsvatten i hög utsträckning. Utskottssystemet återför pappersbanan från olika stadier i tillverkningsprocessen, vid banbrott eller diverse andra störningar samt även när en viss andel av den färdiga produkten inte godkänts på grund av dess kvalitet. I kylningsvattensystemet ingår bl.a. vatten som används för att kyla ned vakuumpumpar och även vatten som används som tätningsvatten. Viktigt att tätningsvattnet ska vara rent och kallt för att undvika korrosion och ytskador (Fellers m.fl. 1996; Paulapuro 2008).

2.3.2 Formning-sektion

I formings-sektionen matas den färdiga mälden in som ett mycket noggrant flödesreglerat ”tjock massflöde” från maskinkaret in i pappersmaskinens inloppslåda via den s.k. korta cirkulationen. Den korta cirkulationen späder ut tjockmassan med bakvatten från virapartiet till en mix av lämplig koncentration för arkformning, vanligtvis en koncentration mellan 0,1-1 % beroende på slutprodukten som önskas(Hubbe 2007). Avluftare används vid förekomst av luftbubblor i mälden.

Beroende på inloppslådans design och tillverkarens specifika rekommendationer, kan mängden utspädningsvatten bli höga. Vid formning av ett pappersark utan att flockulering uppstår behöver fiberuppsättningen vara så uppspädd att fibrerna rör sig oberoende av varandra. Enheter som ingår i formnings-sektionen kan vara inloppslådan, suglådor (kopplade till vakuumpumpar), vattenspritsar samt olika typer av valsar. Inloppslådan fördelar massan jämt över en ändlös duk den s.k.

viraduk. Viraduken i pappersmaskinen tar in mälden och vatten dräneras från vatten- fiber-suspension. Suglådorna som är placerade under viraduken ser till att en god avvattning sker i processen. Merparten av vattnet dräneras bort vid detta steg och torrhalten går från 0,1–1% till 10 %. För att hålla viran ren används FV i vattenspritsar (Fellers m.fl. 1996; Paulapuro 2008).

2.3.3 Press-sektion & tork-sektion

Vid press-sektionen fortsätter avvattningen och vatten bortförs mekaniskt genom att pressas ut. Pappersbanan pressas mot en eller mellan två filtar och torrhalten ökar från 20 % till 40 %. Maximal torkning efter pressning är önskvärt då det bidrar till att mindre energi krävs vid tork-sektionen. Mängden vatten som avlägsnas genom pressning beror på pappersmaskinens utformning och körhastighet. Enheter som ingår i pressektionen kan vara valspressar, pressfiltar och pressnyp. Dessa enheter