Möjligheter till energieffektivisering genom ökad värmeåtervinning på ett massabruk: Pinchanalys av sulfatmassabruket i Olshammar

Möjligheter till energieffektivisering genom ökad värmeåtervinning på ett massabruk

Pinchanalys av sulfatmassabruket i Olshammar

Possibilities for higher energy efficiency through increased heat recovery at a pulp mill

Pinch analysis of the kraft pulp mill in Olshammar Elisabet Danielsson

Fakulteten för Hälsa, Natur- och Teknikvetenskap Civilingenjör Energi- och Miljöteknik

Examensarbete 30 hp Handledare: Lars Nilsson Examinator: Roger Renström 22-06-2018

Sammanfattning

Syftet med det här examensarbetet är att undersöka möjligheter för energieffektivisering i form av ökad värmeåtervinning hos Ahlström-Munksjö Aspa Bruk AB med målet att föreslå åtgärder som minskar behovet av färskånga till uppvärmning i processerna. Detta har gjorts med hjälp av en pinchanalys där de externa behoven, pinchöverträdelser och effektiviseringsmöjligheter har identifierats och analyserats för att avgöra hur effektiv värmeväxlingen på Aspa Bruk är.

Strömdata har samlats in på plats på bruket främst genom givare som loggar data kontinuerligt men även genom mätningar, miljöbesiktningsrapporter och antaganden.

Ur pinchanalysen framkom det att de externa värmebehoven potentiellt skulle kunna reduceras med ca 19,2 MW, vid ett så energieffektivt system som möjligt, jämfört med dagens behov av färskånga som ligger på 71,5 MW. I praktiken är det dock inte möjligt att genomföra åtgärder för att minska det externa värmebehovet fullständigt till följd av tekniska- och ekonomiska begränsningar. Pinchöverträdelser står för ca 7,7 MW av de ca 19,2 MW och återfinns i sekundärvärmesystemet då det råder överskott av värme i varmvatten- och hetvattenproduktionen.

De åtgärdsförslag som läggs fram bygger på att effektivisera energianvändningen och avlägsna pinchöverträdelser med åtgärder som anses genomförbara. Tre åtgärder presenteras:

1. Använda värmeenergin från rökgaserna från sodapannan för att förvärma förbränningsluften till sodapannan och därmed ersätta delar av färskångan som används till detta.

2. Öka andelen flashånga från tank 2 till förbasningsfickan där flisen förvärms innan kokaren istället för terpentinkondensorn. Detta skulle medföra en reducering av färskånga till förvärmningen av flisen.

3. Eliminera 3 bars ångan till hetvattentanken och kompensera med ett ökat varmvattenflöde genom ett ökat intag av råvatten som ska bli varmvatten.

Totalt skulle dessa åtgärder potentiellt kunna minska förbrukningen av färskånga

med ca 12,5 MW. Potentiellt skulle även mer ånga kunna sparas om rökgaserna från

sodapannan tilläts kondensera. Åtgärdsförslag nummer 3 är den som bidrar mest till

reduceringen av färskånga på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB.

Abstract

The purpose of this master’s thesis is to investigate opportunities for a higher energy efficiency in terms of increased heat recovery at Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB with the goal of suggesting actions that reduces the need for live steam in process heating. In order to do this a pinch analysis was conducted where the utility consumptions, pinch violations and opportunities for increased energy efficiency were identified and analyzed in order to determine how efficient the heat exchange at Aspa Bruk is. Stream data was gathered at the mill mainly through continuously logging sensor data but also through measurements, environmental inspection reports and assumptions.

From the pinch analysis it was discovered that the external hot utility potentially could be reduced by approximately 19,2 MW given that the system would be as energy efficient as possible, compared to the current need of live steam that is 71,5 MW. However, in reality it is not possible to accomplish this reduction due to technical and economic limitations. Pinch violations stand for about 7,7 MW of the 19,2 MW and are located in the secondary heat system since there is an excess of heat in the warm water- and hot water production.

The actions suggested are based on increasing the efficiency of the energy consumption and removing pinch violations and are also considered feasible. Three suggestions are presented:

1. Recover the heat in the fumes from the recovery boiler and use it to preheat the combustion air in to the recovery boiler and thereby replace some of the live steam used for this.

2. Increase the amount of flash steam from tank 2 to the preheating of the woodchips before the boiler by reducing flash steam to the turpentine condenser.

This would lead to a reduction in live steam used to preheat the woodchips.

3. Eliminate the 3-bar live steam to the hot water tank and compensate it by increasing the amount of cold water that is going to become warm water.

In total, these proposed arrangements will potentially lead to a reduction in the use

of live steam of approximately 12,5 MW. Potentially even more live steam can be

saved if the fumes from the recovery boiler are allowed to condense. Number 3

amongst the proposed actions is the one that has the biggest influence on the

reduction of live steam at Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB.

Förord

Det här examensarbetet motsvarar 30 högskolepoäng på avancerad nivå och genomfördes inom civilingenjörsprogrammet för energi- och miljöteknik på Karlstads universitet. 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.

Min handledare Lars Nilsson förtjänar ett stort tack för hans hjälp och stöttning under det här examensarbetet.

Ett stort tack tillägnas även Dan Björk på Aspa Bruk för hans hjälp under detta arbete, både i form av kunskap om processerna i bruket och vid hjälp med mätningar.

Ett stort tack tillägnas även Anders Mehlberg.

Till de på instrumentavdelningen på Aspa Bruk som hjälpte till vid installering av flödesmätaren tillägnas ett stort tack. Övriga anställda på Aspa Bruk som på olika sätt hjälpt till vid detta arbete tillägnas också ett stort tack.

Stort tack till Simon Harvey på Chalmers Industriteknik AB för att han gav mig tillgång till hans programvara Pro-Pi som gjorde pinchanalysen möjlig.

Elisabet Danielsson

Juni 2018

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 1

1.1 Introduktion ... 1

1.2 Bakgrund ... 2

1.3 Syfte och mål ... 2

1.4 Avgränsningar ... 2

2 Pinchteknik ... 4

2.1 Pinchanalys ... 4

2.2 Praktisk tillämpning av pinchanalys ... 7

2.3 Programvaran ... 8

3 Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB ... 9

3.1 Massaproduktionen ... 9

3.1.1 Massasidan ... 10

3.1.2 Lutsidan ... 11

3.2 Ångnätverk och värmeåtervinning ... 12

3.2.1 Ångfördelningen ... 13

3.2.2 Sekundärvärmesystemet ... 14

4 Metod ... 16

4.1 Tillvägagångssätt ... 16

4.2 Framtagning av data ... 17

4.2.1 Mätningar ... 18

4.2.2 Övriga källor för data ... 19

4.3 Antaganden ... 19

4.3.1 Friblåsning, bottenblåsning & ventilation ... 19

4.3.2 Torkmaskin ... 19

4.3.3 Indunstning ... 20

4.3.4 Sodapannan ... 20

4.3.5 Flashångor och terpentinkylning ... 20

4.3.6 Varmvatten ... 21

4.3.7 Kondensat vid strippern & vitlut ... 21

4.4 Representation av strömmar ... 22

4.5 Känslighetsanalys metod ... 23

5 Resultat ... 24

5.1 Ångförbrukning och produktionsdata ... 24

5.2 Resultat från pinchanalysen ... 27

5.2.1 Externa värme- och kylbehov, pinchtemperatur och kompositkurvor ... 27

5.2.2 Värmeväxlarnätverket och pinchöverträdelser ... 30

5.3 Känslighetsanalysen ... 32

5.4 Möjliga åtgärder och förbättringar ... 34

5.4.1 Åtgärda pinchöverträdelser ... 34

5.4.2 Varmvatten- och hetvattenproduktionen ... 36

5.4.3 Rökgaser från sodapannan och kylvatten från löprännor ... 36

5.4.4 Sammanfattning av åtgärder och förbättringar ... 38

6 Diskussion ... 39

6.1 Resultatdiskussion ... 39

6.2 Påverkan av antaganden ... 41

6.3 Osäkerheter ... 43

7 Slutsatser ... 45

8 Förslag till fortsatt arbete ... 46

Referenser ... 47

Bilaga A – Strömmar i analysen ... 49

1

1 Inledning

I det här kapitlet introduceras anledningar till varför det här examensarbetet har utförts ur ett större perspektiv, bakgrund om Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB som examensarbetet utfördes på, syfte och mål samt avgränsningar som gjordes i arbetet.

1.1 Introduktion

Omkring en tredjedel av all energianvändning i Sverige går åt till produktion inom olika industrier, där några få branscher står för en stor andel. Bland de här branscherna finns järn- och stålindustrin, kemiindustrin och pappers- och massaindustrin. Då energikostnaderna ofta står för en hög andel av produktionskostnaderna i ovan nämnda branscher, kan energieffektiviseringar leda till betydelsefulla ekonomiska besparingar. När energieffektivisering sker i energikrävande industrier blir de positiva miljöeffekterna påtagliga (Naturvårdsverket 2017).

Pappers- och massaindustrin möter allt större utmaningar när det gäller att minska sin energianvändning och miljöpåverkan till följd av bland annat hårdare miljökrav och en marknad som efterfrågar mer miljövänliga produkter. För att kunna möta kraven undersöks nya processer och koncept, men nackdelen är ofta en ökad energi- eller vattenanvändning eller en hög kostnad. Därmed är det av stor vikt att se över vilka effektiviseringar som kan utföras på de befintliga processerna innan eller i kombination med investeringar i nya processer eller ny teknik (Koufos & Retsina 2001).

Värmeväxlarnätverken har en betydande roll inom energisystemen hos industrier och det är av stor vikt att värmeåtervinningen är hög för att en hög energieffektivitet ska kunna uppnås. Genom anpassning av det befintliga värmeväxlarnätverket kan värmeåtervinningen ökas samtidigt som kostnaden för energianvändningen minskas.

Metoder gällande energianalys hos befintliga värmeväxlarnätverk består av tre delar:

identifiering och utvärdering av ineffektivitet i nätverket, möjligheter till modifiering av värmeväxlarnätverket för att höja energieffektiviteten samt val av den mest lönsamma operativt genomförbara lösningen (Bonhivers et al. 2014).

En av de mest använda metoderna inom industrier för energioptimering och

energieffektivisering är pinchanalysen (Bonhivers et al. 2014). Pinchanalysen går

kortfattat ut på att konvertera alla värme- och kylbehov i processen till riktmärken

för behoven av extern värmning och kylning (Ruohonen & Ahtila 2011). Pinch-

teknologin har med framgång använts inom pappers och massaindustrin där den

2

hjälpt till att höja den termiska effektiviteten genom att maximera den interna värmeväxlingen, vilket lett till att det externa värme- och kylbehovet minskats (Koufos & Retsina 2001).

1.2 Bakgrund

Ahlstrom-Munksjö Oyj är ett ledande företag inom fiberbaserade material världen över och som levererar hållbara och innovativa produkter till kunder i många länder runt om i världen. Bland produkterna som erbjuds finns bland annat filtermaterial, dekorpapper, slipbaspapper, förpacknings- och etikettmaterial samt elektrotekniskt isoleringspapper. Antalet medarbetare på Ahlstrom-Munksjö är omkring 6000 och den kombinerade årliga omsättningen uppgår till ca 2,15 miljarder EUR. Företaget bildades genom en sammanslagning av Ahlstrom Corporation och Munksjö Oyj den 1 april 2017 (Ahlstrom-Munksjö u.å.). I företagskoncernen ingår Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB, beläget i Olshammar strax söder om Askersund vid Vätterns norra del. På Aspa bruk produceras både blekt och oblekt långfibrig sulfatmassa och bruket har ca 190 anställda. Under år 2017 producerade Aspa Bruk ca 181 000 ton massa där oblekt massa stod för ca 90 000 ton och blekt massa för ca 91 000 ton. Aspa Bruk har anor som går långt tillbaka men började sin sulfatmassatillverkning år 1928.

Under hösten 2017 installerades en ny rökgasskrubber vid mesaugnen för att utvinna energi ur rökgaserna samtidigt som de renas. I samband med detta uppkom önskemål om att se över hela sekundärvärmesystemet för att identifiera möjliga effektiviseringsmöjligheter. Därmed ansågs det lämpligt att genomföra en pinchanalys då den med framgång använts inom pappers- och massaindustrin för att höja värmeåtervinningen och minska behovet av primärenergi enligt Björk

.

Syftet med examensarbetet är att undersöka möjligheter för energieffektivisering i form av ökad värmeåtervinning på ett sulfamassabruk.

Målet är att föreslå åtgärder som minskar behovet av färskånga för uppvärmning i processerna på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB i Olshammar.

1.4 Avgränsningar

Studien är begränsad till en del av vår- och vinterperioden. Resultatet från studien är därmed inte representativt för ett sommarscenario då andra förhållanden på utetemperatur och råvattentemperatur råder vilket förändrar energibehovet.

Tidsperioden som studerades var 11 till 15 mars och produktionen av sulfatmassa

1 Dan Björk Teknisk chef Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB, löpande samtal och mejl under vårterminen 2018.

3

var då 546 ton/dygn. All data erhölls från den här perioden förutom några mätvärden som kompletterades i slutet av mars månad.

Aspa Bruk producerar både blekt och oblekt pappersmassa men denna analys begränsades till att enbart titta på en produktionsperiod med oblekt massa.

Produktionen av blekt massa är egentligen av större intresse för Aspa Bruk eftersom denna process kräver mer energi än den oblekta massaproduktionen. Varför analysen begränsades till att omfatta den oblekta massan var att de blekta produktionskampanjerna var schemalagda för tidigt och för sent under våren och vintern.

Ekonomiska beräkningar har inte tagits med i denna studie. Därmed har kostnader

för anpassning av värmeväxlare och tekniska lösningar inte utvärderats ekonomiskt.

4

2 Pinchteknik

Genomförande av energianalyser inom industrin är ofta en komplicerad uppgift. En välkänd och användarvänlig metod för att göra en energianalys och energieffektivisering inom industrin är pinchanalysen. I det här kapitlet presenteras grundläggande kunskap kring hur pinchanalysen fungerar, olika kompositkurvor förklaras samt tillvägagångssätt och viktiga aspekter att tänka på vid tillämpning av pinchanalysen i praktiken tas upp.

2.1 Pinchanalys

Pinchanalysen går ut på att identifiera processers värme- och kylbehov vid deras respektive temperaturer i bruket, hela bruket kan därmed ses som en enda stor värmeväxlare. Genom att skapa så kallade varma och kalla kompositkurvor matchas de kalla och varma strömmarna så att maximalt värmeutbyte uppnås. Störst värmeväxling sker vid den så kallade pinchen, där en varm och kall ström möts i kompositkurvan (CC). Genom att maximera den interna värmeväxlingen kan de externa värme- och kylbehoven minimeras. Bortsett från de två främsta fördelarna med pinchanalysen, vilka är de minskade externa värme- och kylbehoven samt maximalt potentiellt värmeutbyte, undersöks även andra fördelar som exempelvis minskad vattenanvändning genom vatten-pinchanalys. För att erhålla praktiskt genomförbara lösningar kan begränsningar så som avstånd mellan enheter och produktkvalitet tas med i pinchanalysen (Koufos & Retsina 2001).

Principen med pinchanalys är att ta bort pinchöverträdelser. Värmetransport över pinchen, värmning under pinchen och kylning över pinchen är de tre pinchöverträdelser som finns. Pinchöverträdelserna identifieras och avlägsnas, och på så vis återskapas balans både över och under pinchen (Bonhivers et al. 2014).

Pinchöverträdelser medför ett ökat externt energibehov i processen vilket medför att överträdelser behöver åtgärdas för att kunna minska de externa energibehoven (Matsson 2017).

Pinchanalysen ger även en insikt i placering av värmepumpar i systemet.

Värmepumpar kan vara användbara därför att de höjer värmen vid tillförsel av arbete.

Genom att studera pinch-kurvor är det tydligt att värmepumpar kan medföra verkliga besparingar om de placeras rätt. En korrekt placering för en värmepump är när den tar värme under pinchen (där överskott råder) och uppgraderar den till ovan pinchen, där underskott råder (Bakhtiari et al. 2015).

Implementering av pinchanalys kan leda till flera saker: reducerad

bränslekonsumtion, ökad elproduktionen och en produktionsökning utan ökning av

5

ångbehovet (Bakhtiari et al. 2015). En reducering av behovet av färskånga medför ett värmeöverskott som skulle kunna användas för att extrahera lignin ur processen.

Ligninet kan sedan säljas som biobränsle vilket kan vara fördelaktigt och lönsamt för pappers- och massaindustrin (Axelsson et al. 2006).

Den maximala värmeåtervinningen i en process illustreras som det område där den varma kompositkurvan överlappar den kalla kompositkurvan, se Figur 1 som visar en enkel graf över kompositkurvor. I grafen kan även de externa värme- och kylbehoven avläsas på de ställen där kompositkurvorna inte överlappar.

Värmebehovet avläses på höger sida där den kalla kompositkurvan sticker ut och kylbehovet avläses till vänster där den varma kompositkurvan sticker ut (Kemp 2007).

Figur 1. Ett exempel på kompositkurvor där den streckade linjen motsvarar varm kompositkurva och heldragen linje kall kompositkurva.

Avståndet mellan kompositkurvorna är som minst vid pinchen och är lika med den minsta temperaturskillnaden dvs. T

som väljs av personen som utför analysen.

T

beror på fluidens termiska egenskaper och typiska värden för olika fluider har

tagits fram, vanligtvis är T

omkring 10 - 20C för vätskor. Valet av T

är

direkt kopplat till resultatet vilket personen som utför pinchanalysen ska ha i åtanke

vid valet av T

. Faktorer som påverkas av T

är värmeväxlares storlek och

kostnad, ett lågt T

innebär att en stor area på värmeväxlaren behövs vilket i sin

tur innebär en större kostnad (Matsson 2017).

6

Ovanför pinchen råder ett underskott av värme medan det under pinchen råder ett överskott av värme. Det huvudsakliga verktyget för att identifiera den bästa integrationen av nya processer och möjligheter till kraftvärme är den stora kompositkurvan (GCC). GCC illustrerar alla värme och kylbehov i en process, antaget maximal värmeåtervinning, och visar därmed kvarstående värmebehov och tillgänglighet (Bakhtiari et al. 2015). Förutom att bara visa hur stora de externa värme- och kylbehoven visar GCC även vid vilka temperaturnivåer behoven finns vid, se ett exempel på GCC i Figur 2. GCC tas fram genom de skiftade kompositkurvorna. De skiftade kompositkurvorna erhålls genom att justera kompositkurvorna med T

/2; till de kalla strömmarna adderas T

/2 och till de varma strömmarna subtraheras T

/2. Den värme som kan återvinnas illustreras i GCC i form av fickor där kurvan viks tillbaka över sig själv (Kemp 2007). I Figur 2 finns två fickor och det externa värmebehovet avläses upptill i figuren medan det externa kylbehovet avläses nertill. Pinchen är den punkt där kurvan är som närmast där värmeflödet är noll.

Figur 2. Ett exempel på en GCC med två fickor.

För att bland annat identifiera pinchöverträdelser i systemet byggs det befintliga

värmeväxlarnätverket upp, varav det bästa sättet att göra det på är genom att

7

konstruera ett nätverksdiagram. Strömmarna som finns med i analysen ritas i nätverksdiagrammet ut som horisontella linjer där de varma strömmarna hamnar upptill och de kalla nertill. Temperaturen finns representerad längst de horisontella linjerna med låga temperaturer i ena änden och höga temperaturer i andra änden.

Värmeväxlare, kylare och värmare representeras som boxar eller cirklar varav värmeväxlare kopplar samman två strömmar genom vertikala linjer.

Nätverksdiagrammet är betydligt enklare att konstruera jämfört med att rita upp ett helt flödesschema över processerna och det går att placera ut värmeväxlarna utan särskild ordningsföljd. Dessutom representeras temperaturerna som uppkommer efter värmeväxling vilket förtydligar värmeutbytet av värmeväxlingen och strömmarnas nya temperaturer. Slutligen redovisas även pinchtemperaturen i nätverksdiagrammet vilket det inte gör i ett flödesschema (Kemp 2007).

2.2 Praktisk tillämpning av pinchanalys

Applicering av pinchanalys på ett befintligt värmeväxlarnätverk utförs i fyra steg:

1. Insamling av strömdata för processen.

2. Målsökning: Här skapas de varma och kalla kompositkurvorna (HCC och CCC) samt de stora kompositkurvorna (GCC). Utifrån kompositkurvorna kan de externa värme- och kylbehoven teoretiskt bestämmas.

3. Kartläggning av det befintliga värmeväxlarnätverket.

4. Anpassning: Utformningen av det befintliga värmeväxlarnätverket förbättras genom att avlägsna pinchöverträdelser och därmed förbättra målsökningen i steg 2 (Jönsson et al. 2011).

Steg 1 är det mest tidskrävande steget och står för ungefär 75 % av den totala analystiden. Resterande steg kan utföras genom att använda olika analysverktyg utvecklade för pinchanalys (Jönsson et al. 2011).

När värmeväxlarnätverket konstrueras med ett nätverksdiagram är det lämpligt att börja utformningen vid pinchen då det är den mest ansträngda punkten. Då nätverksdiagrammet utformas utifrån pinchen minskar risken att bryta mot någon av de tre kriterierna; ingen kylning ovanför pinchen, ingen värmning under pinchen och ingen värmetransport över pinchen. Om värmeeffekt kvarstår i en varm ström vilket hindrar den från att nå ner till sin måltemperatur efter värmeväxling med en kall ström placeras en kylare på den varma strömmen för att få ner den till den önskade temperaturen (Kemp 2007).

När samtliga pinchöverträdelser har avlägsnats erhålls ett så kallat Maximum Energy

Recovery (MER) Network, ett nätverk med maximal värmeåtervinning. I praktiken

8

är utformningen av ett sådant nätverk ofta begränsat till följd av höga kostnader och tekniska svårigheter, som exempelvis brist på utrymme. När ett nytt förslag på utformning av värmeväxlarnätverket görs bör personen som utför pinchanalysen ta hänsyn till befintliga avstånd mellan olika flöden och inte föreslå för komplicerade och långa rördragningar samt sträva efter att behålla så mycket som möjligt av den nuvarande nätverksutformningen (Kemp 2007).

I en industri finns många olika flöden och temperaturer, men givare finns inte för alla flöden då de kanske inte är intressanta ur produktionssynpunkt. Det är bra att till största delen utnyttja givardata för att slippa onödiga mätningar. Dock har ofta själva givaren en viss mätosäkerhet där temperaturgivare ofta är mer tillförlitliga än flödesmätare som kan ha ett konstant mätfel på mellan 5 - 10 % för vätskor och ännu mer för gaser (Laukkanen & Launonen 2008). Det viktiga i en pinchanalys är inte att data ska vara exakt utan att det finns balans i systemet (Kemp 2007).

2.3 Programvaran

Verktyget som användes vid pinchanalysen i denna studie var ett Exceltillägg kallat

Pro-Pi utvecklat av Simon Harvey på Chalmers. I Pro-Pi matas start- och

måltemperaturer, T

och överförd värmeeffekt för strömmar in som är relevanta

för analysen. Därefter skapas olika kompositkurvor för processen i fråga. I

kompositkurvorna exempelvis GCC, kan det avläsas information om processens

uppvärmnings- och kylbehov på ett enkelt och användarvänligt sätt. Pro-Pi kan även

ge en överblickande bild av de olika procesströmmarna vilket är användbart för att

anpassa värmeväxlarnätverket. Med hjälp av Pro-Pi går det även att hitta eventuella

pinchöverträdelser i det befintliga värmeväxlarnätverket.

9

3 Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB

I det här kapitlet finns en kortfattad beskrivning över massaproduktionen, lutsidan (kemikalieåtervinningen), ångfördelningen och värmeåtervinningen på Ahlstrom- Munksjö Aspa Bruk AB.

3.1 Massaproduktionen

Aspa Bruk producerar både blekt och oblekt massa i produktionskampanjer som skiftar ungefär var fjärde vecka men detta beror på en mängd faktorer så som inplanerade stopp och efterfrågan från kund. Förhållandet mellan mängden blekt och oblekt massa som produceras på bruket är ungefär hälften vardera.

Normalproduktion ligger på ungefär 560 ton/dygn enligt Björk

. Pappersmassan som produceras på Aspa Bruk är en kemisk massa kallad sulfatmassa som framställs genom den så kallade sulfatprocessen, vilken är en kemisk behandlingsprocess.

Denna process bygger på ett kretslopp där kokkemikalier, som används vid massakokningen för att separera trädråvarans beståndsdelar cellulosa, hemicellulosa och lignin, återvinns och återigen kan användas vid massakokningen (Matsson 2017). En enkel skiss över de olika processer och processflöden som finns på Aspa Bruk presenteras i Figur 3.

Figur 3. Schematisk skiss över processerna på Aspa Bruk. Observera att blekningsstegen inte tas hänsyn till i denna studie.

1Dan Björk Teknisk chef Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB, löpande samtal och mejl under vårterminen 2018.

10

De gröna pilarna i figuren motsvarar flisens väg genom processerna. Observera att blekeriet även består av syrgasblekeriet i denna figur. I fallet med oblekt massa går det inte åt någon processvärme i blekeriet då både syrgasblekeriet och blekeriet inte är i drift vid den oblekta produktionskampanjen. Lutens väg genom processerna representeras av de gula pilarna och de grå pilarna motsvarar kalkens kretslopp.

Sodapannan är den enda producenten av färskånga. Processerna beskrivs mer ingående i de två efterföljande avsnitten.

3.1.1 Massasidan

Sulfatmassan som produceras på Aspa Bruk erhålls dels från virke som flisas i renseriet på bruket och dels från färdig flis som köps in. Förhållandet mellan färdig flis och virke som ska flisas är ungefär 15 respektive 85 %. Fösta anhalten för flis och virke är renseriet och det är här virket avbarkas och görs till flis. Barken tas inte tillvara på Aspa Bruk utan går till försäljning till extern energiproduktion enligt Björk

.

Flisen går sedan igenom inmatningssystemet som består av en förbasningsficka och ett basningskärl. I förbasningen förvärms flisen under atmosfärstryck med hjälp av flashånga (avspänningsånga) från kokningen och lågtrycksånga som framställs via förbränning av tjocklut i sodapannan. Den förvärmda flisen transporteras sedan vidare till basningskärlet där den trycksätts och värms med flashånga och lågtrycksånga för att pressa ur luften ur flisen. Luften behöver pressas ut för att flisen lättare ska kunna impregneras och ge en jämnare separering av ligninet. Därefter färdas flisen till kokaren där den på vägen blandas med vitlut som innehåller kokkemikalier (natriumsulfid och natriumhydroxid). Flis och vitlut förs in i kokaren ovanifrån och färdas sedan nedåt genom kokaren. I kokaren separeras cellulosa och lignin som finns i flisen med hjälp av kokkemikalierna. Ur botten på kokaren kommer massan ut, medan den så kallade svartluten tas ut från mitten på kokaren, enligt Björk

.

Massan transporteras sedan till en tryckdiffusör som tvättar massan och fortsätter därefter sin väg genom sileriet där massan passerar olika silar som avlägsnar kvistnötter och mindre föroreningar. Sista stegen i sileriet är att massan tvättas i ett silerifilter och därefter passerar en skruvpress där torrhalten på massan höjs, enligt Björk

. Efter sileriet ligger syrgasblekeriet och blekeriet men då oblekt sulfatmassa produceras leds massan förbi dessa två steg.

1Dan Björk Teknisk chef Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB, löpande samtal och mejl under vårterminen 2018.

11

Från blekeriet går massan till torkningsprocessen. Där passerar den först virapartiet där hetvattnet tillsätts viran för att höja temperaturen på den och därmed kunna pressa ur mer vatten ur massan. Efter virapartiet passerar massan ett antal pressar för att pressa ut så mycket vatten som möjligt ur massan innan den kommer till torkskåpet där mellantrycksånga används för att värma luften som torkar massan. Torrhalten innan respektive efter torkskåpet är ca 52 % respektive 88 %, enligt Björk

.

3.1.2 Lutsidan

Svartluten från kokeriet flashas av i två flash-tankar för att sänka trycket och för att separera terpentin (biprodukt som erhålls vid kokningen) ur luten innan den går till indunstningen. Svartluten från kokeriet och tvätteriet har en torrhalt på ca 18 %, men för att luten ska kunna förbrännas i sodapannan måste torrhalten höjas vilket görs genom att den indunstas. Det är viktigt med en så hög torrhalt som möjligt när luten ska förbrännas i sodapannan därför att värmevärdet förbättras, utsläpp av svavelhaltiga gaser minskas samt att effektiviteten på omvandlingen av kemikalier till aktiva kokkemikalier höjs.

Vid indunstningen kokas vattnet i luten bort med hjälp av ånga och är en av de största förbrukarna av färskånga. Skulle indunstningen ske i ett steg skulle det gå åt samma mängd ånga som mängden vatten som ska avdunstas, därmed sker indunstningen i flera steg då ångbehovet kan minskas med antalet indunstare (Skogssverige u.å.). På Aspa Bruk sker indunstningen i 6 steg, varav steg 2A och 2B är parkopplade.

Färskångan av typen lågtrycksånga tillsätts steg 1 (effekt 1), som är det först steget i ångans riktning. Den ånga som bildas vid kokningen av luten kallas lutånga och transporteras vidare till nästa effekt där den används som uppvärmningsmedium.

Alltså lutånga från effekt 1 används i effekt 2 för uppvärmning, lutångan från effekt 2 används i effekt 3 osv. Färskångan används därmed endast i den första effekten vilket sparar på energi. För att indunstningen ska fungera måste ångan som används för uppvärmning i varje effekt ha en högre temperatur än luten har i just den effekten.

Detta medför att temperatur och tryck sjunker för varje effekt. Lutångorna från effekt

6 används för att producera varmvatten då den värmeväxlas mot råvatten i en

kondensor. Lutens väg genom indunstningen börjar i effekt 4 för att sedan gå vidare

till 5 och 6. In i effekt 4 har luten en torrhalt på ca 20 % och kallas blandlut, då

svartluten har förtjockats genom addering av lut med högre torrhalt. Efter steg 6

kallas luten mellanlut och har en torrhalt på ca 33 %. Mellanluten förs in i effekt 3

och när den kommit ut ur effekt 2A har den en torrhalt på ca 47 % och kallas

12

mellantjocklut. Ytterligare en torrhaltshöjning sker i effekt 1 (koncentratorn) efter effekt 2A där torrhalten höjs till ca 72 % och kallas nu tjocklut, enligt Björk

. Tjockluten från indunstningen värms upp med mellantrycksånga innan den förbränns i sodapannan. Tjockluten sprutas in i sodapannan där den torkas av varma rökgaser och bildar en bädd på botten av pannan. Sodapannan fungerar som en kemisk reaktor där kokkemikalierna från massatvätten kan utvinnas för att kunna användas igen.

Sodapannan är i princip en vanlig ångpanna där matarvatten (förkortat MAVA) som är filtrerat och avhärdat råvatten tillförs och förångas av värmen från förbränningen.

Färskångan från sodapannan har ett tryck på ca 45 bar och får passera genom en turbin där elektricitet genereras samt färskånga vid olika övertryck produceras.

Rökgaser från sodapannan renas i elektrofilter. Kemikalierna som separeras vid förbränningen rinner ut genom löprännor i botten på sodapannan som en smälta bestående av natriumkarbonat (soda) och natriumsulfid till smältalösaren.

Löprännorna kyls kontinuerligt med ett cirkulerande kylvatten, enligt Björk

. I smältlösaren löses smältan upp i svaglut från vitlutsberedningen och blir så kallad grönlut. Grönluten går därefter vidare till kaustiserings-steget som är det sista steget i processen för återvinning av kokkemikalierna. Grönluten renas och går vidare till vitlutshanteringen där bränd kalk från mesaugnen tillsätts grönluten i kalksläckaren.

Blandningen får sedan tid på sig att reagera i tre kausticeringskärl och bilda vitlut och släckt kalk (mesa). Den släckta kalken och vitluten separeras så att vitluten kan återinföras i kokeriet som kokkemikalie medan den släckta kalken förs till mesaugnen där den bränns och bildar bränd kalk som kan återinföras i vitlutsbehandlingen (Skogssverige u.å.). I mesaugnen förbränns även starkgaser som samlas i starkgassystemet och kommer från olika delar av processen ex. gaser från strippern. Under hösten 2017 tillkom en rökgaskondensor (skrubber) på mesaugnens rökgaser för ökad renhet på rökgaserna samt en möjlighet att ta tillvara på värmen som finns i rökgaserna. Rökgaskondensorn är placerad på det sisa skrubbningssteget där värmen tas tillvara från vattnet som skrubbar rökgaserna och cirkuleras i kondensorn, enligt Björk

.

3.2 Ångnätverk och värmeåtervinning

Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB använder färskånga som producerats i turbinen, processånga, varmvatten och hetvatten som medium för att tillhandahålla processernas behov av värmeenergi. Varmvattnet och hetvattnet håller en temperaturnivå på ca 45C respektive 70C. Vattnet som används på Aspa Bruk

1Dan Björk Teknisk chef Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB, löpande samtal och mejl under vårterminen 2018.

13

kommer från en vik belägen i den norra delen av Vättern. Råvattnet från Vättern pumpas in i brukets vattenbehandlingssystem där det först passerar två passavantfilter (mekanisk rening). Det filtrerade vattnet förs sedan vidare till sekundärvärmesystemet, som processvatten och till matarvattenberedningen. Vattnet som är avsett för sodapannan (dvs. matarvattnet) får dessutom passera avhärdningsfilter för högre renhet. Kondensat från torkmaskinsalen, indunstningen, turbinen, kokeriet samt kondensat från låg- och mellantrycksångan, dvs.

färskångkondensat, samlas upp i en kondensattank för att sedan renas och därefter kunna återinföras som matarvatten till sodapannan, enligt Björk

.

3.2.1 Ångfördelningen

Den enda producenten av färskånga på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk är sodapannan. Skulle tillflödet av tjocklut till förbränning i sodapanna vara för lågt eldas olja i sodapannan som komplement. Ångan ut ur pannan har ett tryck på ca 45 bar (högtrycksånga), som används för att producera 3 bars (lågtrycksånga), 12 bars (mellantrycksånga) och el i en turbin. Alla ångor är representerade vid övertryck, och för att få det faktiska trycket adderas atmosfärstrycket (1 bar). En mindre del av 45 bars ångan går även åt till sotblåsning av sodapannan som sker kontinuerligt under driften. Utöver sotblåsning med högtrycksångan finns alltså två stammar i ångnätet som distribuerar ånga i bruket: en 3 bars och en 12 bars. Ångnätverket redovisas i Figur 4. Observera att ångflödet är noll till syrgassteget, PO-steget och D-steget vid produktionen av oblekt massa då de här stegen tillhör blekeriet. På 3 bars grenen sker friblåsning om trycket blir för högt i ledningen. Då släpps ångan ut i atmosfären, enligt Björk

. I Figur 4 representerar de svarta pilarna 45 bars ånga, och de röda pilarna 12 bars ånga och de gröna pilarna 3 bars ånga.

1Dan Björk Teknisk chef Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB, löpande samtal och mejl under vårterminen 2018.

14

Figur 3. Schematisk skiss över ångnätverket på Aspa Bruk. Observera att blekningsstegen inte tas hänsyn till i denna studie, vilka markerats med röda kryss i figuren.

3.2.2 Sekundärvärmesystemet

På Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB värmeväxlas en stor del av brukets processvärme mot sekundärvärmesystemet. Sekundärvärmesystemets syfte är att se till att termisk energi tas tillvara från flöden i processen som behöver kylas och istället kan användas på delar i processen som har ett värmebehov. Genom att ta tillvara på sekundärvärmen kan behovet av färskånga till värmning i processerna minskas samtidigt som den termiska energin relativt enkelt kan transporteras till olika delar av fabriken. Sekundärvärmesystemet lagrar energi på två temperaturnivåer; 45C och 70C. Det 45C vattnet i sekundärvärmesystemet benämns varmvatten och det 70C vattnet benämns hetvatten. De två temperaturnivåerna på vattnet har varsin vattentank. Vattentankarna är i sin tur sammankopplade med producenter och konsumenter av varmvatten och hetvatten, se Figur 5. Varmvattnets huvudsakliga uppgift är att höja temperaturen på råvatten till 45C och fungera som ett mellansteg innan vattnet slutligen höjs till 70C.

Varmvattnets temperatur höjs genom värmeväxling med fem värmeväxlare.

Hetvattentanken erhåller även värmeenergi genom både direktinjektion och

värmeväxling av lågtrycksånga. Varmvattentanken fungerar även som nivåreglerare

till hetvattentanken. Skulle nivåerna i de båda tankarna bli för hög töms vatten ut till

avlopp. Den huvudsakliga producenten av varmvatten är kondensorn i

indunstningen. De största förbrukarna av hetvatten är våtpartiet på torkmaskinen

samt blekeriet som tvättvätska. I fallet med produktion av oblekt massa minskar

15

behovet av hetvatten jämfört med blekt massa till följd av att blekningssteget utesluts.

Figur 4. Schematisk skiss över sekundärvärmesystemet på Aspa Bruk.

Terpentinkondensorn innefattar två kondensorer och en kondensatkylare.

Majoriteten av allt varmvatten produceras genom värmeväxling mellan råvatten och lutånga från indunstningen i två kondensorer. Imkondensorn tar tillvara på värme från ångan från sodalösaren genom värmeväxling med råvatten som tillförs varmvattentanken. Detta vatten uppnår dock inte varmvattentankens temperatur utan är mycket lägre. Temperaturen i varmvattentanken höjs även ytterligare genom värmeväxling med mesaugnsskrubbern. Mesaugnskrubbern, även kallad rökgaskondensor, installerades under hösten 2017. Skrubbervattnet, som renar rökgaserna och cirkuleras i skrubbern, värmeväxlas i nuläget med varmvattnet och producerar därmed lite varmare vatten som tillförs varmvattentanken.

Värmeväxlingen mot det 45 gradiga vattnet fungerar i dagsläget dåligt och ibland

kyls till och med varmvattnet istället för att värmas. Nivåregleringen i

varmvattentanken görs genom tillsättning av råvatten. Hetvattnet används i blekeriet

som tvättvätska samt i torkmaskinen på diverse ställen, bland annat virapartiet.

16

4 Metod

I detta avsnitt förklaras tillvägagångssättet för pinchanalysen och hur data har erhållits. Beräkningar, antaganden och förenklingar tas också med och förklaras i detta avsnitt.

4.1 Tillvägagångssätt 1. Datainsamling

Varma och kalla strömmar på bruket har identifierats varav start- och måltemperatur samt kyl- eller uppvärmningsbehov har erhållits. Med varma strömmar menas i den här analysen de som kyls genom värmeväxling med flöden med lägre temperatur. De kalla strömmarna i denna analys motsvarar strömmar som värms antingen med ånga (genom direktinjektion eller värmeväxling) eller genom värmeväxling med sekundärvärmesystemet. Även strömmar som kräver färskånga räknas som en kall ström i pinchanalysen då de ses som färskångeförbrukare. Inledningsvis identifierades de strömmar vars data helt eller delvis fanns tillgänglig i de loggade processdata i datasystemet och vilka strömmar som behövde kompletteras med mätningar, beräkningar och balanser eller antaganden. Uppmätta eller på annat vis antagna data för respektive strömmar redovisas i Bilaga A tillsammans med övriga strömdata som använts i analysen.

Liknande hänsyn vid framtagandet av data i denna studie har gjorts som i doktorsavhandlingen skriven av Axelsson (2008):

• Ångförbrukare i form av processer som haft ett direkt ångbehov har skiljts åt jämfört med värmebehov för processer och flöden där det räckt med värmning genom ett valfritt medium.

• Processbehov av vatten jämfört med behov av vatten för kylning har skiljts åt.

• Identifiering av överskottsvärme som kunnat användas för förbättrad processintegrering har gjorts.

2. Konstruera kompositkurvor

Med strömdatan har varma och kalla kompositkurvor samt stora kompositkurvor

(GCC) konstruerats med hjälp av det färdiga pinch-skriptet. Via kompositkurvorna

har en uppfattning om den befintliga värmeväxlingens effektivitet och externa behov

erhållits.

17

Baserat på resultaten från pinchanalysen har förbättringsförslag tagits fram genom att identifiera och eliminera pinchöverträdelser i det nuvarande värmeväxlarnätverket, som konstruerats i ett nätverksdiagram, och därmed minska behovet av färskånga i processerna.

4. Besparingsmöjligheter

Med hjälp av föreslagna åtgärder och avlägsnandet av pinchöverträdelser har potentiella värmebesparingar beräknats.

4.2 Framtagning av data

På Ahlstrom-Munksjö Aspa bruk sker kontinuerliga mätningar av många strömmas flöden och temperaturer vilka sedan loggas i datasystemet Smart-Client. Långt ifrån alla strömmar har dock permanenta givare som kan samla in data vilket har medfört att data även har fått samlas in via mätningar eller balansräkningar och antaganden.

Nödvändiga beräkningar som har gjorts för att få fram värmeeffekten för alla strömmar har utförts i Excel för att sedan matas in i Pro-Pi.

Den valda analysperioden sträcker sig mellan 11 och 15 mars 2018 och gäller för oblekt sulfatmassa varav den loggade datan samlats in och mätningar utförts. Några mätdata har dock samlats in från senare tillfällen i mars. Produktionen av oblekt massa under den valda tidsperioden var 546 ton/dygn. Medeltemperaturen på råvattnet som togs från Vättern och utetemperaturer på luft var under den analyserade perioden 1,9C respektive -0,2C.

Data för entalpi, densitet, ångkondenseringstemperatur och specifik värmekapacitet som använts vid beräkningar har erhållits från formelsamlingen gjord av Bergel &

Renström (2001).

Effekten för strömmarna i vätskefas beräknades med ekvation (1).

𝑄̇ = 𝑚̇ ∗ 𝑐

∗ ∆𝑇 (1)

För alla ångflöden beräknades effekten Q med hjälp av den specifika ångbildningsentalpin vid respektive tryck, se ekvation (2). Även effekten erhållen från svartlutsströmmar erhölls med ekvation men istället för ångbildningsentalpin användes entalpidifferensen (2).

𝑄̇ = 𝑚̇ ∗ ∆ℎ (2)

18

Termiska egenskaperna (entalpi) för olika svartlutar vars processvärme utnyttjas erhölls från Figur 1 i artikeln skriven av Zaman & Fricke (1996). Entalpin i figuren kunde avläsas som en funktion av svartlutens torrhalt och temperatur. Vid en torrhalt på 0 % erhålls samma entalpi som för vatten. Entalpi avlästes för start- respektive måltemperatur för respektive svartlutsström varav entalpiskillnaden erhölls. Datan var framtagen för svartlut från en typ av tall (slash pine). De svartlutar vars entalpi avlästes på detta sätt hade alla en torrhalt på 5,8 % eller högre. Svartlutar med lägre torrhalt antogs ha samma termiska egenskaper som vatten.

Vid beräkningar på fuktig luft (rökgaser från sodapanna) beräknades daggpunkten (𝑇

) med ekvation 3, 4 och 5. Daggpunkten är den temperatur då vätska börjar kondensera i luft som kyls vid konstant tryck. ∅ representerar den relativa luftfuktigheten, och 𝑃

var mättnadstrycket för vatten vid den fuktiga luftens temperatur och 𝑃

motsvarar vattenångans partialtryck i den fuktiga luften (Cengel

& Boles 2011). Rökgaserna från sodapannan hade en relativ luftfuktighet på ca 16

% (Wiklund & Ivarsson 2016). Måltemperaturen på rökgasen sattes till en temperatur 2 grader över den beräknade daggpunkten för att undvika kondensering av rökgaserna.

𝑃

= ∅𝑃

(3)

𝑃

= 𝑃

(4)

𝑇

= 𝑇

(5)

4.2.1 Mätningar

Majoriteten av mätningarna utfördes under den valda analysperioden varav varje mätning endast gjordes vid ett tillfälle. Ett fåtal kompletterande temperaturmätningar samt laboratorieresultat för två lutar erhölls från ett senare tillfälle. Bilaga A redovisar samtliga strömmar och huruvida strömdatan har erhållits via mätningar eller andra källor.

Temperaturmätningar gjordes med en temperaturmätare som placerades mot rören på delar som var oisolerade. Noggrannheten på termometern var enligt produktbeskrivningen +/- 0,5 % vid en temperatur på 25C.

Flödesmätningar utfördes på ett fåtal strömmar och gjordes med en utanpåliggande flödesmätare av modellen Krohne Optisonic 6300. Denna har en mätosäkerhet på +/- 1 % vid hastigheter över 0,5 m/s och mängden fasta partiklar inte överstiger 5 volym

%. Mätaren fungerar att mäta på fluider på temperaturer mellan -50C till 200C.

19

Flödesmätningar gjordes enbart på vätskeflöden då mätaren inte fungerar på gasformiga flöden. Flödesmätaren ska enligt produktbeskrivningen fungera optimalt på bland annat olika vattenflöden, glykolflöden samt flöden av korrosiva kemikalier (Krohne u.å.). Installering av flödesmätaren på rören utfördes av anställda på instrumentavdelningen på Aspa Bruk.

4.2.2 Övriga källor för data

För två strömmar saknades flödesgivare: rökgaser från sodapanna och ånga från sodalösaren genom IMkondensorn. Det var heller inte möjligt att placera en tillfällig flödesmätare på de här strömmarna. Flödena erhölls istället från miljöbesiktningsrapporter utförda i oktober 2016 på Aspa Bruk då massaproduktionen låg på 541 ton/dygn i genomsnitt under miljöbesiktningen (Wiklund 2016; Wiklund & Ivarsson 2016). Data från specifikt de här miljöbesiktningarna valdes då produktionen av massa liknade den i den valda analysperioden 11 - 15 mars. De flödesdata som erhölls från miljöbesiktningar hade uppmätts med en flödesmätare med en mätosäkerhet på 10 % (Wiklund 2016;

Wiklund & Ivarsson 2016).

4.3 Antaganden

Mindre och sporadiska behov av färskånga, det vill säga ett behov som uppstår vid exempelvis ett oplanerat stopp eller om ett värde blir högt eller lågt någonstans i processen och inte är en del av det normala dygnsbehovet, har bortsetts från i denna studie. Några av ångbehoven var bland annat 12 bars ånga till kalksläckaren, 12 bars ånga till mesaugnen och 3 bars ånga till torkskåpet. De här ångflödena fungerade alltså som reservtillskott vid behov och har därmed bortsetts från i analysen.

4.3.1 Friblåsning, bottenblåsning & ventilation

Friblåsning på 3 bars grenen för färskångan har bortsetts i denna analys då den enbart har funktionen att släppa på trycket när det blir för högt. Även bottenblåsning av sodapannan med pannvatten med ett tryck på 45 bar har bortsetts från i analysen.

Information om ventilationssystemet och data kring detta saknades i brukets datasystem och uteslöts därmed helt ur analysen, på begäran av intressenten.

4.3.2 Torkmaskin

Torkskåpet värms främst upp med 12 bars ånga som värmeväxlas mot den ingående

luften till skåpet. Ingående luft tas från lokalluften (antagen till 25C) och

värmeväxlas mot den utgående fuktiga luften från torkskåpet för att ta tillvara på

värmeenergin och minska behovet av färskånga. Den fuktiga luften från torkskåpet

används efter värmeväxling med tilluften till att värma upp luften i lokalerna genom

20

värmeväxling, men denna lokaluppvärmning togs inte med i analysen på begäran av intressenten. Värmeåtervinningen från den fuktiga luften togs heller inte med i analysen. Då luftflödet till torken inte mäts kontinuerligt beräknades flödet fram genom att först beräkna mängden vatten som drivs av i torken, alltså flödet på den fuktiga luften. Flödet på den fuktiga luften från torkskåpet beräknades med hjälp av ett Mollierdiagram. Massaproduktionen var 546 ton/dygn och torrhalten på massan höjdes från ca 52 % till 88 % i torkskåpet. Den relativa fukthalten antogs vara 50 % på både ingående luft som skulle värmas och den fuktiga luften ut ur torkskåpet.

Luften värmdes från 25C till 144,6C.

4.3.3 Indunstning

De interna strömmarna i indunstningssteget bortsågs från då detta steg sågs som en svart låda. Även strippern inkluderas i den svarta lådan då den är integrerad med indunstningen vilket medförde att lutångor som används i strippern inte togs med i analysen. Värmebehovet tillgodoses med lågtrycksånga och kylbehovet med två kondensorer som producerar varmvatten (45C). Värmen från lutångorna från indunstningen (effekt 6) passerar i verkligheten en förkondensor och en efterkondensor, men i analysen slås de ihop till en enda kondensor då resultatet förblir detsamma som med två kondensorer men underlättar analysen.

4.3.4 Sodapannan

Tillflöden av varmluft till sodapannan består i verkligheten av tre flöden: primär-, sekundär- och tertiärluft som alla värms med lågtrycksånga innan den förs in i sodapannan. I själva verket är det tre strömmar men då uppvärmningen sker på samma sätt för alla tre (lågtrycksånga som värmeväxlas i värmebatterier) representerades de tre strömmarna som en enda ström i analysen.

Rökgaser från sodapannan antogs ha samma egenskaper som luft gällande specifik värmekapacitet och densitet.

4.3.5 Flashångor och terpentinkylning

Då avsaknaden av data för flashångorna från tank 1 och 2 var stor och dess flöden

inte kunde beräknas direkt fick antaganden göras. Data för lutflödet (massflöde) in i

tank 1 och ut ur tank 2 fanns tillgängliga, men utflöden av flashånga från respektive

tank samt lutflödet från tank 1 till tank 2 var okända. För att kunna beräkna hur

mycket ånga som flashas av sågs båda tankar som en enda tank, vilket medförde att

ett totalt flöde flashånga kunde beräknas. Därefter gjordes ett antagande att hälften

av all ånga flashades av från vardera flashtank. Ångorna fick delas upp eftersom

flashångorna används på olika delar i processen. Flashångan från tank 1 går till

21

basningskärlet (kokeri) medan flashånga från tank 2 dels går till förbasningsfickan (kokeri) och dels till terpentinkondensorn. Då uppdelningen av flödet från tank 2 samt storlek på rör och ventiler var okänt gjordes antagandet att 2/3 av ångflödet från tank 2 gick till terpentinkondensorn och 1/3 till förbasningsfickan. Det var heller inte möjligt med flödesmätningar av flashångorna.

Det finns i själva verket två terpentinkondensorer (primär- och sekundärkondensor) som kyler flashånga från tank 2 och avdragsånga från basningskärlet. I analysen ses de två kondensorerna som en enda kondensor då resultatet förblir samma men analysen underlättas.

Lutångor och olika avdragsångor och flashångor antogs ha samma egenskaper som vattenånga gällande ångkondenseringstemperatur, entalpi och densitet då de till stor del innehåller vattenånga, men även en del icke kondensbara gaser.

4.3.6 Varmvatten

Produktionen av hetvatten är något komplicerad då den utöver varmvattentillflödet även produceras med 3 bars ånga, delvis genom direktinjektion och delvis genom värmeväxling med denna ånga. Baserat på tillgängliga processdata för flöden över varmvatten- och hetvattenproduktionen gick balansen inte ihop då flödet av hetvatten var större än flödet av varmvatten och färskånga. Så även om all färskånga antogs vara direktinjicerad nådde inte flödet av varmvatten och ånga upp till flödet av hetvatten. Flödet (volymflödet) för varmvattenproduktionen sattes då till att vara lika stort som flödet till hetvattenproduktionen för att kunna producera tillräckligt med hetvatten, särskilt eftersom ångan ”plockades bort” för att tillåta effektiviseringsmöjligheter.

4.3.7 Kondensat vid strippern & vitlut

Måltemperatur och flöde för kondensat från strippern saknades, men effekten var

känd (kunde beräknas för den ström som värmeväxlades mot detta kondensat). För

att kunna beräkna flödet på kondensatet antogs att flödet av de icke kondensbara

gaser som går ut ur strippern kunde försummas då det är litet i förhållande till

inkommande flöden. Den specifika värmekapaciteten antogs inledningsvis vara den

vid starttemperaturen på kondensatflödet för att kunna beräkna måltemperaturen på

kondensatet. När måltemperaturen erhållits interpolerades ett nytt värde på den

specifika värmekapaciteten fram baserat på medelvärdet av start- och måltemperatur

på kondensatet från strippern. Detta genomfördes bara en gång då måltemperaturen

inte förändrades märkvärt.

22

C-kondensatet, som är ett orent kondensat innehållande icke kondensbara ämnen, som går till strippern för att rena kondensatet och driva av de icke kondensbara ämnena samt kondensatet ut ur strippern antogs ha samma densitet och specifik värmekapacitet (Cp) som vatten.

Strippergaser, gaser till destruktion från strippern, antogs ha samma egenskaper som vattenånga, då de till stor del består av just vattenånga men även en del icke kondensbara gaser.

Vitlut vars processvärme tas tillvara genom värmeväxling och togs med i analysen antogs ha samma egenskaper som vatten då den bestod en låg halt oorganiska ämnen löst i vatten.

4.4 Representation av strömmar

Det har skiljts på ångförbrukare som använder färskångan för uppvärmning och de som har ett direktbehov av ånga. De strömmar som har ett direktbehov av ånga antingen genom direktinjektion av ånga i flödet eller att ångan inte kan ersättas har förblivit oförändrade, medan de som enbart behövde ånga i uppvärmningssyfte kunde utformas så att de kan få sin värmeenergi från annat håll än färskånga. För alla ångor som inte kunde ersättas representerades det termiska energibehovet som en ström vid (strax under) ångkondenseringstemperaturen.

Värden på T

som använts i analysen finns att se i Tabell 1, och är samma som

användes av Matsson (2017). I analysen är det dock T

/2 som används för

respektive ström. T

har bestämt den minsta tillåtna temperaturskillnaden på den

varma strömmens utlopp och den kalla strömmens inlopp i en värmeväxlare. För

olika lutar gäller samma T

som för förorenat vatten. Lutångor faller under

kategorin ”ånga innehållande icke kondenserbar gas”. Kondensat från stripper har

samma T

som förorenat vatten. Flödet av flis antogs ha samma T

som

förorenat vatten.

23

Tabell 1. Värden för minsta temperaturskillnaden, Tmin, för olika medier i analysen.

Fluid

T

Rent vatten

5

Förorenat vatten

7

Färskånga

1

Förorenad ånga

2

Ånga innehållande IKG*

8

Luft

16

Fuktig luft

14

*Icke kondenserbar gas

4.5 Känslighetsanalys metod

Då valet av T

är direkt avgörande för hur resultatet blir i pinchanalysen valdes att undersöka hur en förändring av T

påverkade resultatet i den här analysen. I känslighetsanalysen testades att använda ett globalt T

på 10C respektive 20C samt att befintliga T

som använts i analysen ökade med 50 %. Ett globalt T

innebär att samtliga T

är samma för alla strömmar i analysen och därmed inte

beroende av vilket medium strömmen består av. Resulterar känslighetsanalysen i att

det externa värme- och kylbehovet påverkas kraftigt av ett varierande T

tyder det

på ett instabilt system. Påverkas systemet inte märkvärt av ett förändrat T

visar

det på ett stabilt system, även om pinchtemperaturen förändras.

24

5 Resultat

I följande kapitel redovisas Aspa Bruks ångförbrukning och produktionsdata samt resultaten från pinchanalysen över den analyserade perioden. Alla resultat har erhållits genom användning av metoden och de antaganden som finns beskrivna i kapitel 4. Även resultatet från känslighetsanalysen, som utreder huruvida systemet är stabilt och hur tillförlitligt resultatet från pinchanalysen är, redovisas i detta kapitel. I slutet på kapitlet presenteras möjliga energieffektiviseringar som har föreslagits för att minska behovet av färskånga till uppvärmning i processerna på Aspa Bruk.

5.1 Ångförbrukning och produktionsdata

Medelproduktionen under den valda tidsperioden var som tidigare nämnt 546 ton oblekt massa/dygn, vilket är något lägre än normalproduktionen som ligger på ca 560 ton/dygn. I Tabell 2 redovisas alla ångförbrukare (färskånga) på Aspa Bruk under den oblekta produktionskampanjen och deras energiförbrukning samt vid vilket ångtryck (övertryck) de verkar. Även den totala förbrukningen av färskånga redovisas i Tabell 2.

Tabell 2. Ångförbrukare på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB och deras ångförbrukning vid deras verksamma övertryck under den valda tidsperioden.

Förbrukare av ånga Ångtryck [bar] Q [MW]

Kokeri 12 11,3

Kokeri 3 7,2

Hetvatten 3 8,2

Torkskåp 12 11,7

Torkmaskin viraparti 3 0,7

Sodahus 3 4,4

Sodahus 12 0,8

Indunstning 3 21,8

Matarvatten 3 5,3

Hartskokeri 12 0,1

Totalt

-

25

Den största konsumenten av färskånga är indunstningen och därefter kommer kokeriet. Även torkningssteget har ett stort behov av färskånga. Indunstningen kräver 3 bars ånga medans kokeriet kräver både 3 bars och 12 bars ånga. I indunstningen går ångan till effekt 1 och strippern. I kokeriet kräver kaloricatorer (kokaren) 12 bars ånga medan förbasningsfickan och basningskärlet kräver 3 bars ånga. Sodahuset behöver 3 bars ånga vid förvärmningen av luft till sodapannan, medan 12 bars ångan går till löprännorna, smältasplittring, temperaturreglering av tjocklut samt oljeuppvärmning när olja behövs. Friblåsning på 3 bars grenen samt bottenblåsning av sodapannan med pannvatten på 45 bar är exkluderade ur analysen och tabellen.

Observera att ytterligare ångförbrukare tillkommer vid produktion av blekt sulfatmassa och den totala förbrukningen av färskånga då kommer öka.

Ångförbrukande strömmar redovisas i Tabell 3 samt huruvida de har ett direkt behov (eller en direktinjektion) av färskånga eller om ångans syfte enbart är uppvärmning (värmeväxling).

Tabell 3. Ångförbrukande strömmar på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB under den valda tidsperioden.

Ström Direkt injektion ånga Värmeväxling mot ånga

3 bar till förbasningsficka Ja Nej

3 bar till basningskärl Ja Nej

12 bar till kokare Nej Ja

3 bar till effekt 1 Nej Ja

3 bar till stripper Ja Nej

12 bar till sodahus Ja Nej

3 bar till hetvattentank Ja Ja

12 bar till hartskokeri Ja Nej

3 bar till värmeväxling viraparti

Nej Ja

12 bar till torkskåp Nej Ja

3 bar till MAVA-tank Ja Nej

3 bar till förvärmning luft till sodapanna

Nej Ja

26

Identifierade ångförbrukande strömmar som inte har ett direktbehov av färskånga och därmed kan ersättas med annan värmekälla redovisas i Tabell 4. Trots att 12 bars ångan till kokaren och 3 bars ångan till effekt 1 inte är en direktinjektion av ånga, och därmed skulle kunna värmas med annat medium, ansågs det inte vara möjligt att byta ut färskånga mot annat värmemedium då behovet är stort och trycket som ångan medför är nödvändigt. De här två strömmar fick därmed behålla färskånga som värmemedium. 3 bars ångan som används för uppvärmning av hetvatten ansågs heller inte nödvändig och önskvärt vore om hetvattnet inte alls behövde färskånga för uppvärmning. Denna ström exkluderades därmed helt istället för att ”bytas ut”.

Tabell 4. Ångförbrukande strömmar vars uppvärmning kan ersättas med annat värmemedium eller exkluderas på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB.

Ursprunglig ström Ny ström

3 bar till hetvattentank Exkluderas

3 bar till värmeväxling viraparti Hetvatten till viraparti 3 bar till förvärmning luft till

sodapannan

Luft till sodapanna

12 bar till torkskåp Luft till torkskåp

3 bar till förbasningsficka Förvärmning flis i förbasningsficka 3 bar till basningskärl Impregnering flis i basningskärl

De strömmar vars uppvärmning inte var fast bunden till att ske med hjälp av

värmeväxling med färskånga var; förvärmning av luft till sodapannan, luft till

torkskåpet och värmeväxling till virapartiet för att höja temperaturen på hetvattnet,

se Tabell 4. Båda värmeväxlas i nuläget med 3 bars ånga. De här strömmarna ansågs

därmed kunna värmeväxlas mot ett annat medium än färskånga vilket möjliggör en

eventuell besparingsmöjlighet i processerna. Ytterligare två strömmar fick

omkonstrueras från att vara direkt beroende av färskånga trots att de kräver

direktinjektion av ånga för uppvärmning; 3 bar till förbasningsfickan och 3 bar till

basningskärlet. De här strömmarna ”gjordes om” så att man ser till flisens

uppvärmning istället för att se de som färskångeförbrukare. Denna åtgärd fick göras

då det annars inte gick att konstruera värmeväxlarnätverket, se avsnitt 5.2.2 längre

fram i uppsatsen. Ingående flis antogs ha samma temperatur som uteluften.