Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Miljö- och energisystem
Daniel Skoglund
Utredning och effektivisering av Gruvöns sekundärvärmesystem
på barrsulfatlinjen
En studie med målet att möjliggöra en ökad fjärrvärmeleverans
Investigation and efficiency of Gruvöns secondary heating system at the softwood line
A study with the goal to enable an increased delivery of district heating
Examensarbete 22,5 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik
Juni 2015
Sammanfattning
Fjärrvärme är idag den vanligaste formen av fastighetsuppvärmning i Sverige.
Förutom värmeanläggningar som byggts just för ändamålet att leverera fjärrvärme har pappers-‐ och massaindustrin blivit en betydande aktör på marknaden i de orter där industrin finns. BillerudKorsnäs massa-‐ och
pappersbruk på Gruvön i Grums kommun levererar fjärrvärme till kommunen och till det intilliggande sågverket.
Syftet med projektet är att genom kartläggning av Gruvöns
sekundärvärmesystem på barrsulfatlinjen belysa effektiviseringsmöjligheter med en ökad fjärrvärmeleverans som följd.
Målet är att upprätta en simuleringsmodell i programmet Wingems och med hjälp av den se vad dessa effektiviseringsmöjligheter kan leda till i form av ökad fjärrvärmeleverans.
Metoden i arbetet har utgått från att kartlägga energiflöden till två vattencisterner på barrsulfatlinjens sekundärvärmesystem. Driftdata för
vattenflöden i sekundärvärmesystemet har inhämtats i form av flödesstorlek och temperatur, vilka har legat till grund för en simuleringsmodell i Wingems.
Sekundärvärmesystemet på barrsulfatlinjen består av en ljumvatten-‐cistern, en hetvatten-‐cistern och ett antal värmeväxlare och kondensorer.
Ett av de identifierade problemenen med systemet är att temperaturen i ljumvatten-‐cistern är högre än den borde. Anledningen till detta är ett
vattenflöde från en värmeväxlare som kyler svartlut och leds in till cisternen.
Vattenflödet håller en temperatur mellan 70-‐75°C. Huvudkonsumenten till cisternen är en förindunstare som förses med kylvatten. Temperaturen på vattnet bör ligga på 23°C. Vid en lägre temperatur skickas hetvatten från lövsulfatlinjen att värma vattnet till 23°C, på vägen passerar hetvattnet två värmeväxlare som överför energi till fjärrvärmenätet. Med en högre temperatur i cisternen krävs ett mindre flöde att förvärma kylvattnet, vilket leder till en minskad effekt ut på fjärrvärmenätet.
Resultatet visar att genom omledning av kylvattenflödet från svartlutkylaren till hetvatten-‐cistern på barrsulfatlinjen kan effektöverföringen till fjärrvärmenätet öka med 3,1 MW. En alternativ lösning skulle kunna vara att kyla svartluten med 74°C vatten från hetvatten-‐cisternen på barrsulfatlinjen. Kylvattnet kan sedan ledas in tillbaka till hetvatten-‐cisternen, svartlutkylaren skulle då bli en
betydande energiproducent till systemet. Simuleringar visar att denna åtgärd skulle kunna ge en potentiell ökad effektöverföring till fjärrvärmenätet med 9 MW.
Abstract
District heating is the most common form of house heating in Sweden today.
Apart from heating plants that has been built to the purpose, the paper and pulp industry has become a significant contributor. BillerudKorsnäs paper and pulp mill at Gruvön in Grums municipality delivers district heating both to the residents in Grums and the nearby sawmill.
However it has been observed that the amount of energy transferred to the district heating network has been reduced after several redevelopments and new installations at the mill. The purpose with this report is through mapping of the mills secondary heating system find efficiency opportunities that will lead to an increased delivery of district heating. The goal is to develop a simulation model with the software Wingems and with the model make simulations to see the amount of increased district heating the efficiency opportunities may lead to.
To achieve this, the method has been to map the energy flow to and from two water tanks in the secondary heating system in the mills softwood line. Input data for streams in the secondary heating system has been gathered, and these have then been used to construct the simulation model.
The part of the secondary heating system that is located at the mills softwood line consists of one lukewarm water tank, one tank that contains hot water and several heat exchangers and condensers. One of the identified problems with the system is that the temperature in the lukewarm water tank is higher than it should be. The main consumer of the water tank is a pre-‐evaporator that is using water at the temperature of 23°C to condense some of the flash steam it produces. If the temperature of the water in the tank is below 23°C, hot water from the hardwood line is being pumped to heat the water to the pre-‐evaporator.
The hot water passes two heat exchangers that transfer some of the energy to the district heating system. A higher temperature of the water in the lukewarm tank leads therefore to a smaller flow through the heat exchangers that in turn leads to a lower delivery of district heating.
The reason to the higher temperature in the lukewarm tank is a heat exchanger that cools black liquor from the pre-‐evaporator. The heated water used to cool the black liquor has a temperature between 70°C to 75°C. This water is being led to the lukewarm tank and is the main reason that the temperature in the tank is higher than designed. The results show that a rerouting of the heat exchangers cooling water to the tank containing hot water could lead to a 3,1 MW increased power transfer to the district heating network. Redesigning the heat exchanger to use water from the hot water tank to cool the black liquor and then lead the even hotter water back to the tank could lead to a 9 MW increased power transfer.
Förord
Arbetet utgör det avslutande examensarbetet på 22,5 hp vid Karlstads universitet för högskoleingenjörsexamen i energi-‐ och miljöteknik.
Examensarbetet har gjorts på uppdrag av BillerudKorsnäs, Gruvön.
Detta 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.
Jag vill rikta ett särskilt tack till min handledare på Gruvön, Anders von Dolwitz som varit tillgänglig och väglett mig under arbetets olika faser. Jag vill också tacka Eddy Sandström, Margareta Tollin, Mats Lundberg och Magnus Hagelqvist på avdelningen för massateknik på Gruvön och Lars Sjöqvist på Värmevärden som alla har stöttat mig och besvarat de frågor som uppkommit under arbetets gång.
Till sist vill jag även tacka min handledare på universitetet, Kamal Rezk som väglett mig med rapportskrivandet.
Karlstad 2015 Daniel Skoglund
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.2 Syfte ... 2
1.3 Mål ... 3
1.4 Avgränsningar ... 3
2 Bakgrund ... 4
2.1 Massatillverkning, barrsulfatlinjen ... 4
2.2 Kemikalieåtervinning ... 5
3 Systembeskrivning ... 6
3.1 Producenter till ljumvattencisternen ... 6
3.2 Konsumenter till ljumvattencisternen ... 7
3.3 Producenter till hetvattencisternen ... 8
3.4 Konsumenter till hetvattencisternen ... 9
4. Metod ... 11
4.1 Insamling av indata ... 11
4.1.1 Winmops ... 11
4.1.2 Verifikation och komplettering ... 11
4.2 Wingems ... 12
4.2.1. Flöden ... 12
4.2.2 Block ... 13
4.2.3 Effektbalanser ... 14
4.2.5 Indata ... 15
4.2.4 Förutsättningar för modell ... 16
4.2.5 Verifikation av modell ... 16
4.3 Identifierade problem och effektiviseringsmöjligheter ... 17
4.3.1 Låg effektöverföring till fjärrvärmenätet via värmeväxlarna 291X005 och 291X006 ... 17
4.3.1.1 Effektiviseringsmöjligheter ... 18
4.3.2 Nivå-‐ras i hetvatten-‐cisternen ... 18
4.3.2.1 Effektiviseringsmöjligheter ... 19
5 Resultat ... 20
5.1 Verifikation av modell ... 20
5.2 Effektiviseringsmöjligheter ... 21
5.2.1 Leda om kylvattnet från svartlutkylaren till hetvatten-‐cisternen ... 21
5.2.2 Kyla svartluten i svartlutkylaren med hetvatten ... 21
5.2.3 Ökad kylvattentemperatur in i Lockman ... 22
5.2.4 Utnyttja kondensat från indunstningen i Press 7 ... 23
6 Diskussion ... 24
6.1 Verifikation av modell ... 24
6.2 Effektiviseringsmöjligheter ... 24
6.2.1 Omledning av kylvattenflöde från svartlutkylare ... 24
6.2.2 Kyla svartluten med vatten från hetvatten-‐cisternen ... 24
6.2.3 Höjd temperatur på kylvattenflödet in till Lockman ... 24
6.2.4 Utnyttjande av kondensat ... 25
6.2.5 Undvika nivå-‐ras i hetvatten-‐cisternen ... 25
8.Slutsats ... 28 9. Referenser ... 29 Bilagor ... 30
Teckenförklaring och ordlista
Teckenförklaring
Tecken Förklaring Enhet
ṁ Massflöde kg/s
𝐶𝑝 Specifik värmekapacitet J/(kg ×K)
ΔT Temperaturdifferens °C
𝜌 Densitet kg/m!
Ordlista
Uttryck Förklaring
SK1 Avdelningen på Gruvön där kemisk framställning av massa med lövträd sker.
SK2 Avdelningen på Gruvön där kemisk framställning av massa med barrträd sker.
NS Avdelningen på Gruvön där halvkemisk framställning av neutralsulfitmassa sker.
Fabriksvatten Benämning på färskvatten som hämtats från Vänern och renats mekaniskt
Ljumvatten Benämning på vatten som håller en temperatur mellan 10-‐30 °C Hetvatten Benämning på vatten som håller en temperatur över 50 °C
t!" Ton massa med en torrhalt på 90 %
VVX Värmeväxlare
TD Tryckdiffusör BV-‐tank Bakvattentank
1 Inledning
Fjärrvärme är idag den vanligaste formen av fastighetsuppvärmning i Sverige, mer än hälften av alla bostäder och lokaler värms med fjärrvärme. Idag är det nästan uteslutande fossilfria bränslen som eldas i fjärrvärmeverken. Denna övergång från fossila bränslen till förnybara är den enskilt största orsaken till att Sverige lyckats nå klimatmålen enligt Kyoto-‐protokollet (svensk fjärrvärme 2015).
Förutom värmeverk och kraftvärmeverk som byggts för ändamålet att producera fjärrvärme har massa-‐ och pappersindustrin blivit en betydande aktör på
marknaden. Massa-‐ och pappersindustrin har gått från att historiskt sett enbart vara en stor energikonsument till att även bli en energiproducent. Detta har kunnat ske genom miljöpolitiska styrmedel som i sin tur lett till
energieffektiviseringar på bruken (Andersson & Bergquist 2013).
Grums kommuns enda leverantör av fjärrvärme är BillerudKorsnäs massa-‐ och pappersbruk vid Gruvön (energimarknadsinspektionen 2015). Förutom
samhället förser Gruvöns bruk också det intilliggande sågverket med fjärrvärme.
Vid tillfällen bruket inte klarar av värmebehovet finns tre oljepannor som kan användas för att tillgodose samhället med värme. Förbränning av fossila bränslen är starkt bidragande till växthuseffekten. Därför finns förutom ekonomiska incitament till att leverera fjärrvärme från Gruvön också en
miljömässig aspekt. Gruvön har en produktionskapacitet på 685 000 ton/år, är världsledande inom fluting (det veckade pappret mellan ytterlagren i kartong) och omsätter ca fyra miljarder kronor. Bruket har fem pappersmaskiner, tre massalinjer, två linjer för flingtorkning av massa och en bestrykningsmaskin.
Bruket har ett stort behov av färskånga och el i olika delar av
framställningsprocessen. Behovet av primärenergi tillgodoses av sodapannan och barkpannan. Sodapannan som förutom att producera energi är ett steg i kemikalieåtervinningen, används som baslast och barkpannan som ångregulator.
Värme som kan återvinnas i de olika processerna benämns sekundärvärme, ett effektivt sekundärvärmesystem leder till en minskad primärenergianvändning för bruken. Sekundärvärme kan ibland vara varma medier från processen som direkt kan användas i andra delar av processen, exempelvis kondensat och expansionsånga. Ofta måste dock sekundärvärmen överföras till ett annat medium, exempelvis genom värmning av vatten i en värmeväxlare (Nygaard 1986).
Gruvöns bruk har ett väl utbyggt sekundärvärmesystem. Normalt sett finns ett överskott av energi i sekundärvärmesystemet som används till att leverera fjärrvärme till Grums kommun och det intilliggande sågverket. År 2013
levererade bruket 187 GWh timmar fjärrvärme varav 73 GWh av dessa kom från brukets sekundärvärmesystem och resterande från primärenergi i form av överskottsånga. Totalt motsvarade dessa värmeleveranser ca 20000 𝑚!
eldningsolja (miljöredovisning, Gruvön 2013). Nybyggnationer och investeringar sker löpande på bruket och det är inte alltid som det undersöks hur dessa
påverkar sekundärvärmesystemet då det är brukets huvudsakliga uppgift att producera massa och papper som står i fokus.
Trots att hela brukets sekundärvärmesystem är sammankopplat är det delen på barrsulfatkokeriet som har störst betydelse för fjärrvärmeleveransen.
Anledningen är att värmeväxlarna som står för den största delen av
energiöverföringen från sekundärvärmesystemet till fjärrvärmenätet är belägna på barrsulfatkokeriet. Det är även här de flesta av problemen har identifierats.
Sekundärvärmesystemets hjärta på barrsulfatkokeriet är en hetvattenscistern vars temperatur bör ligga på 74 °C för att minimera ångbehovet i Blekeri 2.
Cisternen är sammankopplad med en rad olika delar av processen och
fjärrvärmesystemet. Efter investeringarna och ombyggnationerna år 2014 har det iakttagits att nivån i cisternen plötsligt kan sjunka kraftigt. När nivån blir för låg fylls den på med fabriksvatten. Fabriksvatten är brukets benämning på det vatten som hämtas direkt från Vänern och renas innan det används i olika delar av processen, vintertid ligger detta på en temperatur mellan 2-‐7°C. Följden av detta blir en kraftig temperatursänkning i cisternen och en energisänkning i hela sekundärvärmesystemet.
Förutom hetvattencisternen finns det också en volymmässigt mindre cistern som idag innehåller vatten som ligger på ca 20°C. Temperaturen i denna cistern har tidigare varit lägre. Huvudkonsumenten av vatten från den mindre cisternen är en förindunstare som förses med kylvatten, temperaturen på detta bör ligga på ca 23°C. Systemet är konstruerat på så vis att vintertid då temperaturen i den mindre cisternen bör ligga relativt nära Vänerns temperatur, blandas varmare vatten från lövsulfatkokeriet (SK1) in för att höja temperaturen på vattnet från den mindre cisternen på väg till förindunstaren. Innan vattnet från SK1 blandas in passerar det två värmeväxlare som överför energi till fjärrvärmenätet. När temperaturen i den mindre cisternen ökat har behovet av förvärmning minskat och därmed också reducerat flödet genom fjärrvärmeväxlarna. Genom en fördjupad kartläggning av systemet samt upprättande av en simuleringsmodell är förhoppningen att dels belysa problem för hur systemet idag är utformat men också bättre kunna förutse hur processändringar påverkar
sekundärvärmesystemet.
1.2 Syfte
Genom att kartlägga konsumenter och producenter till sekundärvärmesystemet på SK2 identifiera effektiviseringsmöjligheter med ökad fjärrvärmeleverans till följd.
1.3 Mål
• Bygga upp en beräkningsmodell av sekundärvärmesystemet på barrsulfatkokeriet. Modellen kommer att byggas i Wingems.
• Med hjälp av systemanalys identifiera eventuella
effektiviseringsmöjligheter för sekundärvärmesystemet.
• Med hjälp av beräkningsmodellen se vad dessa effektiviseringar kan leda till i form av ökad fjärrvärmeleverans.
1.4 Avgränsningar
Av tidsmässiga skäl avgränsas studien till sekundärvärmekretsen på barrsulfatkokeriet. Indata har hämtats från en referensperiod som valts till 2014-‐10-‐01 till 2015-‐01-‐31, en period med relativt små driftstörningar och som motsvarar den tid på året då behovet av fjärrvärme är större.
2 Bakgrund
Gruvöns bruk har tre massalinjer: En lövsulfatlinje (SK1), en barrvedslinje (SK2) och en linje som producerar neutralsulfitmassa (NSSC). Massakokaren på SK2 har en normal produktion på ca 47 𝑡!"/h. Figur 1 visar ett allmänt flödesschema för sulfatmassatillverkning.
Figur 1. Flödesschema över kemikalieåtervinningen och fiberlinjen på SK2.
2.1 Massatillverkning, barrsulfatlinjen
Massakokarna på Gruvön är av typen kontinuerlig kokare där inmatning av flis och vitlut sker kontinuerligt i toppen samtidigt som det matas ut färdigkokt massa i botten av kokaren. De två verksamma kemikalierna i vitluten är natriumhydroxid och natriumsulfid. Massan som matas ut i botten av kokaren leds sedan genom ett antal tvättsteg i serie som främst består av olika pressar och tryckdiffusörer, avdelningen där massan tvättas kallas bruna tvätten. Vid det sista tvättsteget för massan tillsätts rent vatten, vattnet går sedan motströms massan genom tvättprocessen. På detta vis används det renaste vattnet till det sista tvättsteget och det smutsigaste vattnet till det första tvättsteget. Pressarna förtränger ut luten som finns kvar i massan efter kokningen samtidigt som den tvättas med vatten, efter det späds massan med tunnare lut (även kallat
bakvatten) och pressas igen. Efter varje spädning och pressning blir massan renare. I tryckdiffusörerna matas massan in i toppen för att sedan pressas nedåt av den hydrauliska silmanteln. Tvättvätska tillförs i olika steg i diffusören och tränger undan luten i massan, luten dras sedan av i toppen av tryckdiffusören (Kassberg 1998).
På sin väg genom bruna tvätten blir koncentrationen av svartlut i massan lägre.
Efter bruna tvätten bleks massan och kan endera användas i det integrerade pappersbruket eller i flingtorken där massan torkas till en torrhalt på 90 % och pressas till balar, ca en fjärdedel av den färdiga sulfatmassan flingtorkas. Den flingtorkade massan säljs sedan direkt till kund.
Vatten
Flis Kokeri Tvätt/silning Blekeri Blekt4massa
Svartlut
Förindunstning Tvättvätska Vitlut Indunstning
Sodapanna Kemikalieberedning Vatten
Tjocklut Grönlut Mesa Kalk
Ånga
Mesaugn
2.2 Kemikalieåtervinning
I mitten på massakokaren leds avluten ut, denna kallas även svartlut på grund av sin färg. Svartluten innehåller kolhydrater, den utlösta vedsubstansen lignin och förbrukade kokkemikalier. Svartluten har vanligtvis en torrhalt mellan 15-‐16 % ut från kokaren på SK2. Svartluten leds till två flashtankar där en förtjockning av svartluten sker. Flashtekniken bygger på att genom att sänka trycket hastigt börjar mediet att koka och en förångning sker. Efter flashtankarna leds luten till en förindunstare där den förtjockas ytterligare genom olika flashkammare.
Därefter skickas svartluten till Gruvöns huvudindunstning I5, där en förångning av luten sker i olika steg med hjälp av tillsatt färskånga. När svartluten nått 72 % torrhalt skickas den till sodapannan där den förbränns, lut med en så hög
torrhalt kallas för tjocklut. Att ha en hög torrhalt på luten in till sodapannan har flera fördelar, bland annat erhålls: en ökad ångproduktion, mindre utsläpp av svavelhaltiga gaser och en effektivare omvandling av kemikalierna till nya aktiva kokkemikalier. I sodapannan förbränns tjockluten och de organiska ämnena avgår som rökgas medan kemikalierna i luten smälter. Smältan rinner ner i en lösartank där den blandas upp med svaglut, denna blandning kallas för grönlut.
Grönluten från sodapannan går sedan vidare till vitlutsberedningen (mixeriet).
Grönluten innehåller natriumsulfid och natriumkarbonat. Då natriumsulfiden är en av de aktiva kokkemikalierna är den är klar att användas i kokeriet,
natriumkarbonatet däremot måste behandlas för att få tillbaka den andra aktiva kokkemikalien natriumhydroxid. Detta görs genom att tillsätta bränd (osläckt) kalk i vitlutsberedningen, kalken reagerar med natriumkarbonaten att det omvandlas till natriumhydroxid. Samtidigt som detta sker bildas också ett slam av kalciumkarbonat som kallas mesa. Denna avskiljs ur luten, tvättas och bränns i en mesaugn. Mesan blir då till bränd kalk som kan användas igen i
vitlutsberedningen (Kassberg 1998).
3 Systembeskrivning
Systemet avgränsades enligt figur 2.
Figur 2. Översiktligt flödesschema över sekundärvärmesystemet på SK2.
Nedan följer översiktliga beskrivningar för de viktigaste komponenterna i systemet.
3.1 Producenter till ljumvattencisternen
Efterkondensor
Innan svartluten leds in till förindunstning passerar den genom två flashtankar där en snabb trycksänkning sker. Expansionsångan (flashångan) från den första tanken leds till två flashångkondensorer. Ångan från den andra flashtanken leds till förindunstaren. Om trycket skulle stiga för mycket i flashtank 2 tappas ånga av och leds till en efterkondensor där ångan kondenserar vid värmeväxling med fabriksvatten. Det uppvärmda fabriksvattnet leds sedan till ljumvattencisternen.
Svaggaskondenskylare
Svaggas är benämningen på en blandning av olika svavelhaltiga gaser.
Anledningen till att svaggasen behandlas är att den är starkt illaluktande och har en försurande inverkan på naturen. Svaggasen leds till en skrubber där gasen kondenseras, kondensatet leds sedan till en värmeväxlare där värmen i det överförs till sekundärvärmesystemet.
Svartlutkylare
I denna värmeväxlare av tubtyp sänks temperaturen på svartluten som skall gå till indunstning genom värmeväxling mot fabriksvatten, svartluten skall ha en temperatur på 86-‐87°C när den skickas till indunstningen. Lutflödet kommer från i huvudsak förindunstaren Lockman, en bypass finns också där luten kan ledas direkt från flashtank 2. Svartluten värmeväxlas mot fabriksvatten.
Fabriksvatten för nivåhållning
Svartlutkylare NS,tvättlutkylare Bakvatten,,flingtorkar
Efterkondensor
Fabriksvatten Fabriksvatten Sandfiltrering
Svaggaskondenskylare
Nivåhållning,från,SK1 Press,7
Producenter VVX,291X005/006 Press,23
Terpentinkondenskylare
Konsumenter Flashångkondensor
VVX,291X001
Värmeväxlare,mot, Förindunstare,,Lockman
fjärrvärmenät Tvättvätskekylare,
Systemkomponent,som både,är,konsument,och, producent,till,systemet
, ,
Hetva&en(cistern- Ljumva&en(-
cistern- ,
3.2 Konsumenter till ljumvattencisternen
Förindunstare, Lockman1
Förindunstaren är den största energiproducenten till hetvatten-‐cisternen på SK2, vidare i rapporten benämns denna som enbart förindunstaren eller Lockman. Förindunstarens huvudsakliga uppgift är att höja torrhalten på svartluten som leds från massakokaren på SK2, se figur 3. Svartluten går sedan till indunstningsanläggningen där torrhalten höjs ytterligare innan den slutligen förbränns i sodapannan. Förindunstaren består av en torndel med flera
flashkammare och ett flertal tillbyggda värmeväxlare på sidan av torndelen.
Svartluten leds in i toppen av torndelen och passerar genom de olika
flashkamrarna där en förtjockning av luten sker. Expansionsångan som avgår i de olika flashstegen leds till värmeväxlarna där den kondenserar. Kylvattnet till värmeväxlarna är satt att hålla en temperatur på 23 °C. Vid en lägre temperatur i ljumvattencisternen än kylvattnets börvärde på 23°C blandas hetvatten från SK1 in på väg in till Lockman.
Figur 3. Översiktlig bild över massakokaren och förindunstaren på SK2.
1 Förindunstaren är av typen Lockman, uppkallad efter sin upphovsman Carl Johan Lockman.
Lutsil Färskånga
Tvättvätskecistern
Till Indunstning Till Tvätt & Sileri
Svartlutkylare
Fibersil
Tvättvätskekylare Massakokare
SK2
8 7 6 5 4 3 2 1
Rejekt
Rent%
kondensat%
Bypass flashtank 2 Flash-
tank 2 Flash-
tank 1
Retur Lut Lockmann Lut till
Lockmann
Orent%
kondensat%
Rejekt
Ingående kylvatten Utgående
hetvatten Till Förindunstare/
Efterkondensor Förinpregnerad
träflis
Förindunstare Lockman Till flashångkondensorer
3.3 Producenter till hetvattencisternen
Förindunstare, Lockman
En del av kylvattenflödet från förindunstaren leds direkt in till hetvattencisternen medan ett andra delflöde passerar genom en flashångkondensor och värmeväxlare 291X001 på vägen till cisternen.
Flashångkondensor
Här kondenserar expansionsångan från flashtankarna på NS-‐kokeriet genom värmeväxling med hetvatten från förindunstaren.
Värmeväxlare 291X001
I denna värmeväxlare utnyttjas värmen i det heta kylvattnet från
flashångkondensorn genom att värmeväxla det mot fjärrvärmenätet. Denna värmeväxlare används också som en temperaturreglering för hetvattencisternen.
Skulle temperaturen i cisternen överstiga 74°C sker en ökad värmeöverföring till fjärrvärmenätet, se figur 4. Det motsatta sker om temperaturen i cisternen understiger 74 °C.
Tvättvätskekylare
Vattnet som tillsätts i slutet av bruna tvätten på barrsulfatlinjen leds motströms med massan för att slutligen skickas in som ett första tvättsteg i massakokaren.
Innan tvättvätskan skickas in i botten av kokaren behöver den kylas. Kylning av tvättvätskan sker för att kokningen av massan skall avta, med hänsyn till detta vill man fortfarande hålla en så hög temperatur på tvättvätskan som möjligt då en effektivare tvätt erhålls vid en högre temperatur.
Nivåhållning från lövsulfatlinjen (SK1)
I första hand nivåhålls cisternen med hetvatten från en cistern på lövsulfatlinjen.
Producenten till denna cistern är en skrubber till sodapannan. Cisternen på SK2 regleras mot att hålla en nivå på 70 %. Vid behov av förvärmning av
kylvattenflödet in till Lockman från ljumvattencisternen går en del av flödet för nivåhållning genom värmeväxlarna 291X005/006 där en värmeöverföring mot fjärrvärmenätet sker. Detta leder till att leveransen av fjärrvärme är delvis beroende av hur stort förvärmningsbehovet på kylvattnet in till Lockman är.
Kylvatten till tvättvätskekylaren på SK2 tas också från SK1 och passerar värmeväxlarna 291X005/006, se figur 4.
Figur 4. Principskiss över hur energiöverföringen till fjärrvärmenätet ser ut inom den valda
systemgränsen. De blå pilarna representerar vattenflöden i sekundärvärmesystemet medan de gröna representerar fjärrvärmenätet.
Terpentinkondenskylare
Terpentin utvinns genom att kondensera den gas som avgår vid förvärmning av den träflis som skall skickas till massakokaren. Gasen består även av vattenånga, okondenserbara gaser och metanol. Terpentinen separeras sedan i en dekantör, där terpentinet ansamlas på vattenytan. Barrträd som tall och gran ger det bästa utbytet av terpentin. Värmen i terpentinkondensatet förs över till
sekundärvärmenätet i terpentinkondenskylaren. Det uppvärmda kylvattnet från terpentinkondenskylaren leds in på vattenledningen från Lockman till hetvatten-‐
cisternen.
NS tvättlutkylare
Likt det första tvättsteget på SK2 tillsätts tvättlut i botten på kokaren för
neutralsulfitmassa. Denna tvättlut kyls genom värmeväxling med fabriksvatten innan den skickas in i massakokaren. Kylvattnet leds sedan in på
vattenledningen från Lockman till hetvatten-‐cisternen.
Nivåhållning med fabriksvatten
Skulle nivån i cisternen sjunka ner till 30 % går fabriksvatten in i cisternen som hjälper till att öka nivån i cisternen.
3.4 Konsumenter till hetvattencisternen
Filter 5 på Blekeri 2 och Kemikalieberedningen via Sandfilter
Sandfiltret är en del av det reningssteg som vattnet måste passera innan det kan användas i kemikalieberedningen där klordioxid framställs, en del av vattnet som passerat sandfiltret används också till filter 5 på blekeri 2.
Terpentinkondenskylare
Kylvattenflödet till terpentinkondenskylaren har under referensperioden helt hämtats från hetvattencisternen. Det är önskvärt att ha en blandning av vatten från hetvatten-‐ och ljumvatten-‐cisternerna som ingående kylvatten i
Lockman(
Ljumva,en.cistern(
Från(SK1(
VVX(X005/(
X006((
23(°C(
Fjärrvärme(
Flashångkondensor(
721X009(
Fjärrvärme(
Hetva,en.cistern(
VVX(
291X001(
Tvä,vätskekylare(
X004(
värmeväxlaren. Detta har inte uppnåtts under referensperioden på grund av problem med trycksättning av vattnet från ljumvatten-‐cisternen.
Bakvattentankar, flingtorken
Bakvattentankarna på flingtorken förser blekeri 2 med vatten. Blekeri 2 har ett större behov av vatten än vad flingtorkarna kan förse det med, därför finns även ett flöde från hetvattencisternen till bakvattentankarna på flingtorken. Detta flöde ökar om flingtorkarna inte är i drift och kan producera bakvatten.
Press 7
Press 7 är det sista steget i bruna tvätten på barrsulfatlinjen, se figur 5. Här pressas och tvättas massan för att få den renare. Vid pressningen tillsätts sprittsvatten, mängden tillsatt vatten är beroende av vilken renhetsgrad som massan skall ha. Ju renare massa desto mer vatten tillsätts.
Press 23
Skulle det råda brist på bakvatten i bakvattentank 15 kan tvättpress 23:s behov av spritsvatten tillgodoses med hetvatten, se figur 5.
Figur 5. Flödesschema över bruna tvätten på barrsulfatlinjen.
Sileri
Bv-tank 15 HC5
Tvättpress 23
Bv-tank 25 Bv-tank
21 TD
Blåstank Atm.
O2-reaktor 2
O2-reaktor 1
Bv-tank 24 Tvättpress 4
Tvättpress 7 Atm. diffusör
1&2
Blåstank 1&2
Bv-tank 4 Tvättv.
cist. Kokare
Fibersil
Till Indunstning
Till Blekeri Het- vatten Filter 1&2
Bv-tank 3
HC4 Lockman
Lutsil Flashtankar
Svartlutkylare 421X905
TD TD Till efterkondensorer
1 2
Massa Bakvatten Hetvatten Svartlut Tvättv-
kylare X004
TD
4. Metod
Processcheman för sekundärvärmesystemet på barrsulfatlinjen studerades. För verifikation att processcheman stämde överens med verkligheten och öka
systemförståelsen studerades också systemet på plats på barrsulfatkokeriet. När ett enklare flödesschema för systemet upprättats började arbetet med att hämta data på flödena i form av flödesstorlek och temperatur. Dessa data användes sedan till att bygga upp en värmebalansmodell över systemet. Under arbetets gång upptäcktes problem med systemets utformning, i samråd med handledare och processingenjörer på bruket valdes ett antal effektiviseringsmöjligheter ut att låta modellen simulera.
4.1 Insamling av indata 4.1.1 Winmops
Gruvöns bruk använder sig av fabriksinformationsprogrammet Winmops. I detta program kan information och data för olika delar av processen visas. I Winmops kan data loggas från två år bakåt i tiden och erhållas i allt från sekund-‐ till
dygnsmedelvärden. Dessa värden kan också importeras direkt till Excel. Detta arbete har fokuserat på timmedelvärden för perioden 2014-‐10-‐01 fram till 2015-‐
01-‐31 för vattenflöden i sekundärvärmesystemet på SK2. När data från Winmops loggas krävs uppmärksamhet om produktionsstörningar inträffat under
referensperioden. Dessa leder till icke representativa värden och bör filtreras bort. Just den valda referensperioden visade på relativt små störningar i driften av bruket.
4.1.2 Verifikation och komplettering
Trots att bruket har ett väl utbyggt informationssystem saknas ibland data för flöden. Data har då tagits fram genom manuella mätningar. Detta har också gjorts på vissa ställen för att verifiera data som loggats från Winmops. Där ledningar och rör inte är isolerade kan temperaturmätningar göras genom att använda en temperaturmätare på röret som mediet flödar genom. Storlek på flöden kan vid behov mätas manuellt genom att använda en portabel
flödesmätare av märket Panametrics. Flödesmätaren består av en dataenhet, två givare och en fästanordning. Givarna spänns fast på röret där flödet skall
uppmätas och kopplas sedan in i dataenheten. Under mätningen skickar givarna ultraljudimpulser, dessa impulser passerar genom rörväggen och fluiden för att sedan reflekteras mot den andra rörväggen och slutligen fångas upp igen av givarna, se figur 6. Det uppmätta flödet visas sedan i dataenheten. Manuella mätningar kan genomföras för att få momentanvärden, det är också möjligt att koppla på flödesmätaren under en längre tidsperiod för att få en trend på flödet.
Vid manuella mätningar är det viktigt att driften på barrlinjen motsvarar ett normalfall, annars är de uppmätta värdena inte representativa. För att verifiera uppmätta flöden och temperaturer har dessa kontrollerats med driftspersonal.
Figur 6. Ultraljudsignal genom röret (Öster 2002).
4.2 Wingems
Wingems är ett processsimuleringsverktyg utvecklat för pappers-‐ och
massaindustrin. Förutom att simulera vattenflöden i ett sekundärvärmesystem kan programmet användas till att simulera kemikalie-‐ och fiberflöden för ett helt pappers-‐och massabruk. Ett system byggs upp genom att använda block som simulerar delar av processen, dessa block har olika parametrar som kan justeras.
Blocken är sammankopplade med strömmar som innehåller information om flöde, koncentration av suspenderade ämnen och temperatur. Detta arbete fokuserar enbart på sekundärvärmesystemet som har vatten som energibärare, därför förekommer inga koncentrationer av suspenderade ämnen. När blocken och strömmarna är sammankopplade kan sedan simuleringen starta.
Simuleringen startar vid det block som angivits som startblock för att sedan arbeta sig igenom hela systemet då det återvänder till startblocket igen.
Programmet har då utfört en iteration av systemet. Detta upprepas till dess att programmet hittar ett ”steady-‐state” för systemet då skillnaden mellan två iterationer inte överskrider ett specificerat värde.
4.2.1. Flöden
Nedan följer en beskrivning av de olika typer av flöden som använts vid modellbyggandet i Wingems.
INPUT: Representerar flöden in i systemet. Parametrar som kan ställas in för dessa flöden är flödesstorlek, temperatur och koncentration av suspenderade ämnen. Indata kan också anges i form av beräkningar, exempel där detta kan vara användbart är ett flöde som representerar nivåhållningen av en cistern.
Som indata för flödesstorleken kan det anges att flödet skall anpassas efter differensen mellan specificerade inflöden och utflöden i systemet för att uppnå massbalans.
Figur 7. Visar symbolen för ett inflöde i Wingems.
10 bortfiltrerade. Medelvärden från arbetet finns bifogade i rapporten medan en komplett
rådatabas finns lagrad hos författare.
4.2 Portabel flödesmätare
Vissa flöden finns inte registrerade varken i ABB- eller MOPS-systemen. Dessa flöden har då uppmätts med en portabel flödesmätare av märket Panametrics, modell PT868. Flödesmätaren består av en dataenhet, två givare och en fästanordning. Givarna spänns fast mot röret i
fästanordningen på ett givet avstånd som först räknats ut genom dataenheten. Det är viktigt att kontaktytan mellan röret och givarna är så bra som möjligt för att mätningen skall bli bra.
Därför används ett vacuumfett på ytan av givarna för att förhindra att kommer luft mellan röret och givarens kontaktyta. Innan mätningen påbörjas måste rätt avstånd mellan givarna räknas ut. Detta åstadkoms genom att mata in olika parametrar i dataenheten som sedan räknar ut avståndet mellan givarna.
Vid mätningen kommer dataenheten att skicka ultraljudspulser från vardera givaren. Dessa pulser går genom rörväggen och fluiden, reflekteras mot den andra rörväggen och tillbaka till givarna, figur 1.
givare
dataenhet
Figur 1 Ultraljudssignal genom röret
I databoxen räknas nu flödet ut genom att mäta skillnaden i tid mellan motströms- och
medströmssignalen. Flödet och fluidets hastighet kan nu avläsas på dataenhetens display. Det går inte att mäta på ett rör som är skrovligt på ytan då kontaktytan blir alltför dålig mellan röret och givarna. Det är viktigt att tänka på att givarna inte placeras för nära krökar, ventiler eller påstick. Mätningen bör också utföras på ett horisontellt rör även om det går att mäta på ett stigande. Vid vätskemätning måste röret vara fyllt, annars kommer signalen att kraftigt störas. Det har visat sig att portabel flödesmätning är tillförlitlig då vissa stabila flöden från MOPS-systemet även har kontrollerats med portabel mätning. Inga stora differenser utanför felmarginalen mellan MOPS-systemet och den portabla flödesmätaren har observerats.
ultraljudspuls
Fluidens riktning i röret
INPUT&
fluidens riktning i röret
INTERNAL: Flöden mellan olika komponenter inom systemgränsen. Värdena för dessa flöden kan inte ändras utan är helt beroende av vad som sker i de olika processtegen (blocken).
Figur 8. Visar symbolen för ett internt flöde i Wingems.
OUTPUT: Representerar flöden ut ur systemet. Likt de interna flödena är värdena beroende av vad som sker i de olika processtegen och kan inte ändras.
Figur 9. Visar symbolen för ett utflöde i Wingems.
4.2.2 Block
Nedan följer en beskrivning av de block som använts vid modellbyggandet.
MIX: Detta block blandar olika inkommande strömmar och ger ett summerat utflöde, se figur 10.
Figur 10. Exempel på hur ett mix-‐block kan användas,
här representerar blocket ljumvattencisternen med fyra inflöden och ett utflöde.
SPLIT: Detta block används då ett flöde skall delas upp i olika delflöden, se figur 11. Uppdelningen kan göras genom att ange fraktioner eller bestämd storlek för flödena.
Figur 11. Exempel på hur ett split-‐block kan användas
i Wingems. Här delas utflödet från hetvatten-‐cisternen upp till fyra utflöden som representerar konsumenter till cisternen.
STMIX: Detta block representerar ett processteg där primärenergi i form av ånga tillsätts för att höja temperaturen på flödet in i det. Blocket kan också användas till att sänka temperaturen på en inkommande ström. Detta kan styras genom att sätta värdet på temperaturen ut ur blocket eller önskat ΔT för vattenströmmen.
Data för blocket anger sedan hur mycket energi som tillförts eller bortförts från
INTERNAL(
OUTPUT%
MIX Ljumvatten- cistern Fabriksva)en,
Svartlutkylare, Svaggaskondenskylare,
E6erkondensorer,
Flöde,ut,
MIX SPLIT
Hetvatten.
cistern Flöde&ut&
Sandfilter&
Press&7&
Bakva4entankar,&
flingtorken&
Press&23&
strömmen. I modellen av sekundärvärmesystemet har dessa block använts för att representera värmeväxlare.
Figur 12. Exempel på hur ett STMIX-‐block kan användas.
Här representerar blocket förindunstaren, Lockman, i blocket sker en temperaturhöjning av kylvattenflödet.
STORE: Blocket används som en databas där ofta förekommande värden kan lagras, detta gör det enklare när ett värde som förekommer i flera block och strömmar skall ändras.
4.2.3 Effektbalanser
Modellen bygger på indata i form av temperatur och storlek för kylvattenflöden och ibland har det varit nödvändigt att genomföra enstaka effektbalanser för delar av processen där data saknats och uppmätning är problematiskt. Vid värmeväxlare där flöde och temperaturer på det ena mediet är känt medan flöde eller temperatur på det andra är okänt har en effektberäkning för det ena mediet gjorts [1]. Den framräknade effekten har sedan använts för att räkna fram flöde eller temperatur för det andra mediet.
Q =ṁ ∗ Cp ∗ ΔT [W] [1]
Svartlutkylare
Den enda loggade informationen om kylvattnet genom svartlutkylaren var
temperatur in i värmeväxlaren. Temperaturen på kylvattnet ut ur värmeväxlaren uppmättes vid upprepade tillfällen och visade sig ligga mellan 70-‐75°C. Däremot fanns det mer data loggad för svartluten som kyls i värmeväxlaren, dessa värden kan ses i tabell 1. Genom att ställa upp en effektbalans enligt [2] kunde ett
kylvattenflöde genom svartlutkylaren räknas fram.
ṁ!"#$%&'% ∗ Cp!"#$%&'% ∗ ΔT!"#$%&'% = ṁ!"#$%&&'( ∗ Cp!"#$%&&'( ∗ ΔT!"#$%&&'( [2]
ρ!"#$%&'% = 1095 [kg/𝑚!] Cp!"#$%&'% = 3800 [J/kg × K]
Cp!"#$%&&'( = 4200 [J/kg × K]
Tabell 1. Loggade medelvärden och uppmätta värden för
referensperioden 2014-‐10-‐01 till 2015-‐01-‐31 för fluiderna som leds genom svartlutkylaren.
Flöde, svartlut [m!/h] 252
Temperatur, svartlut ut från Lockman [°C] 99
STMIX Lockman
Flöde&in,&T1& Flöde&ut,&T2&
