ANALYS AV INDUNSTNINGSANLÄGGNING VID ASSIDOMÄN, FRÖVI

Transkript

1 Examensarbete 10 poäng C-nivå ANALYS AV INDUNSTNINGSANLÄGGNING VID ASSIDOMÄN, FRÖVI Reg.kod: Oru-Te-ExM080M101/04 Ulrika Brask och Catarina Fransson Maskiningenjörsprogrammet 120 p Örebro vårterminen 2004 Examinator: Tord Larsson ANALYSIS OF EVAPORATION PLANT AT ASSIDOMÄN, FRÖVI Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology Örebro SE Örebro, Sweden 1

2 Examensarbete 10 poäng C-nivå ANALYS AV INDUNSTNINGSANLÄGGNING VID ASSIDOMÄN, FRÖVI Reg.kod: Oru-Te-ExM080M101/04 Ulrika Brask och Catarina Fransson Maskiningenjörsprogrammet 120 p Örebro vårterminen 2004 Examinator: Tord Larsson Handledare: Tore Käck, Örebro universitet Robert Carlsson, AssiDomän, Frövi ANALYSIS OF EVAPORATION PLANT AT ASSIDOMÄN, FRÖVI Örebro Tord Larsson 2

3 Sammanfattning Examensarbetet har utförts på AssiDomän Frövi och behandlat deras indunstningsanläggning. Syftet med arbetet är att lämna ett förslag med avseende på följande frågeställningar. Huvudfrågeställning: Vilka alternativ finns för ombyggnad av effekt 1-6 med ökad kapacitet till ton massaproduktion? Att ge alternativ för en ombyggnad av indunstningsanläggningen är inte nödvändigt eller motiverat för att vid dagens produktion är det inte indunstningsanläggningen utan sodapannan som är den egentliga flaskhalsen. Sodapannan körs idag på sin maxkapacitet och i dagsläget klarar inte sodapanna och lagercisterner av en sådan hög produktion av lut som en massaproduktion på t/år genererar. Vid en större produktionsökning måste en investering ske, antingen i en ny eller i en utbyggnad av befintlig sodapanna. Delfrågeställningar: Skall en ny linje ställas upp eller skall utbytet ske i etapper? Nackdelar och fördelar till båda förslagen skall ges. Slutsatsen av huvudfrågan rekommenderar ej att en nybyggnation eller ombyggnation bör genomföras, dock har nackdelar och fördelar om nybyggnation kontra ombyggnation givits i avsnitt och Hur skall en eventuell ombyggnad gå till? Frågeställningen är ej relevant med avseende på tidigare dragna slutsatser. 3I

4 Summery This candidate degree project has been carried out at AssiDomän Frövi and has evaluated the evaporation plant. The purpose with the project was to give a proposal with consideration to one main question and two sub-questions. Main question: Which alternatives are there for a rebuilding of effect I VI in order to increase the capacity to t/y of pulp production? To give alternatives for a reconstruction of the evaporation plant is not necessary or justified because it is the soda furnace that is the actual bottleneck in the production today, not the evaporation plant. Today the soda furnace uses its maximum capacity, and cannot satisfy the high production of lye. That will be generated with a pulp production of t/y. With an increased production an investment has to be made, either in a new furnace or in an extension of the existing soda furnace. Sub-questions: Should a new evaporation line be built in one single step or should the change occur in stages? For both these proposals we show the disadvantages and the advantages. The answer to the main question is that we don t recommend that a new construction or a rebuilding should be done. However, disadvantages and advantages with a new evaporation line versus a rebuilding have been given in section and How should a rebuilding be performed, if it is to be done? This question is not relevant in consideration of former drawn conclusions. 4II

5 Förord Rapporten är ett examensarbete på 10 poäng som vi utfört på AssiDomän, Frövi under våren Den är en del i vår maskiningenjörsutbildning på 120 poäng på Örebro universitet. Det har varit en rolig och lärorik tid, mycket tack vare ett vänligt bemötande och ett stort engagemang hos alla inblandade. Vi vill framföra vårt varmaste tack till vår handledare Robert Carlsson på Assi Domän Frövi. Vår handledare Tore Käck på Örebro universitet får ett stort tack för all vägledning och hjälp som vi fått under resans gång. Tack till Thomas Padron-McCarthy för hjälp med den engelska delen. Ett tack även till vår examinator Tord Larsson på Örebro universitet. Slutligen ett tack till alla andra som har gjort det möjligt att genomföra detta arbete. De bilder som ingår i examensrapporten är hämtade ifrån AssiDomän, Frövi intranet. 5 III

6 SAMMANFATTNING...I SUMMERY... II FÖRORD...III 1 INLEDNING BAKGRUND Företaget Examensarbete Process och produkt Översikt UPPDRAGSBESKRIVNING PROBLEMSTÄLLNING Bakgrund Syfte och mål Omfattning och avgränsningar BESKRIVNING AV INDUNSTNINGSANLÄGGNING FRÖVI ÖVERSIKT INDUNSTNING Effekter Förindunstning Slutförtjockare Blekerifiltratindunstare Stripperanläggning Såpavskiljning TILLVÄGAGÅNGSSÄTT FÖRSTUDIE Insamling av driftparametrar Provtagning av lut Ombyggnad av indunstningsanläggning på Vallvik Nybyggnad av indunstningsanläggning på Iggesund RESULTAT MASS- OCH VÄRMEBALANS Driftdata Mass- och värmebalans...18 Reflektioner angående grafisk mass- och värmebalans Lutanalyser DISKUSSION...21 Utifrån resultatet har följande slutledningar dragits: SLUTSATS RISKBEDÖMNING KÄLLFÖRTECKNING BILAGOR

7 1 Inledning 1.1 Bakgrund Företaget AssiDomän är beläget i Frövi, ca 3 mil norr om Örebro. Företaget ingår i Sveaskog, med 2,4 miljoner hektar av produktiv skogsmark i Sverige och ägs av Svenska staten. På Assi Domän Frövi är det ca 680 anställda. Omsättningen uppgår till ca två miljarder kronor om året och 90 procent av produktionen exporteras. Pappersbrukets historia går flera hundra år tillbaka i tiden. I mitten av 1500-talet skrivs det om en stångjärnshammare, Fröuij Hamar där fabriken ligger idag. Dåvarande järnhanteringen fortsatte sedan någorlunda kontinuerligt till slutet av 1800-talet, då ett enkelt pappersbruk togs i bruk och grunden för dagens fabrik var lagd. Tillverkningen idag består av vätske- och förpackningskartong för i första hand livsmedel och i Frövi produceras en stor del av pappersmassan som används för att göra kartong. En av världens mest avancerade anläggningar för kartongtillverkning finns på AssiDomän Frövi. Fabriken är både massa- och kartongbruk. Sulfatfabriken, där massan tillverkas och vars råvara kommer från löv- och barrträd, har en kapacitet på cirka ton om året. Sulfatfabriken har två fiberlinjer, en kontinuerlig kokare för produktion av ca ton oblekt massa och en linje med satsvisa kokare, som producerar ca ton massa för klorfri blekning innan den går vidare till kartongbruket. Kartongmaskinen har en årlig produktionskapacitet på ton och är en av de största i världen. Kartongen som tillverkas består av fyra olika fiberskikt. Det yttre skiktet, som utgörs av blekt massa, bestryks för att förbättra tryckegenskaperna. Produktionen i Frövi är koncentrerad till två huvudändamål: vätskeförpackningskartong och förpackningskartong. Kartongen säljs på rulle eller ark till olika kunder som gör färdiga förpackningar. Se även för ytterligare information om företaget. 1

8 1.1.2 Examensarbete Examensarbete utförs på AssiDomän i Frövi (figur 1) under perioden mars maj Företaget vill höja sin årliga massaproduktion eftersom den långsiktiga framtidsvisionen är att integrera ytterligare en kartongmaskin i tillverkningen. För att nå detta mål krävs en kapacitetsökning på ett flertal platser i fabriken varav indunstningsanläggningen är en. Figur 1. Flygbild över AssiDomän, Frövi Process och produkt En kort introduktion i tillverkning av kartong: I figur 2 visas en snabb överblick över processen att förvandla gran, tall och björk till färdig kartong. Från träd till färdig förpackning. Virke Kartongmassa Kartongrulle Kartongark Kartongark med tryck Färdig förpackning Förpackning med innehåll Förpackning till kund Figur 2. Förädlingsprocessen. 2

9 1.1.4 Översikt En översiktskarta (figur 3) över AssiDomän kartongbruks industriområde. 1 Figur 3. Vy över fabriken i Frövi. Texten nedan hänvisar till figur 3 och ger en övergripande förklaring av de olika verksamhetsområdena. 1. Virkesupplag Ved från löv- och barrträd och sågverksflis är råvara till sulfatfabriken. 2. Avbarkning och flishugg Veden avbarkas och huggs till flis i flishuggen för att sedan lagras i flisstackarna. Flisen matas med bandtransportörer till massabruket. Barken i sin tur transporteras till barkpannan där den förbränns och omvandlas till energi. Som sedan används för att producera ånga som används i tillverkningsprocessen av kartong. 3. Kokning av flisen till massa för kartongbruket Flisen kokas i den kontinuerliga kokaren och i de tre satsvisa kokarna och fibern friläggs. 3

10 4. Noggrann tvättning av massan Fasta partiklar silas bort och massan tvättas i flera steg med hetvatten. En del av massan går direkt till kartongmaskinen efter tvättning, övrig till blekeriet. 5. Klorfri blekning I blekeriet avlägsnas lignin 17 (se fotnot) och massans ljushet ökar till önskad nivå. 6. Återvinning av energi och kokkemikalier Den del av veden som löses ut vid kokningen, i huvudsak lignin, går tillsammans med kokkemikalier vidare till sodapannan 13. Där förbränns ligninet, varvid energi och kemikalier återvinns som i sin tur används för att driva anläggningen i Frövi. 7. Dammar för rening av processvatten I sedimenteringsdammarna avskiljs fibrerna. Syreförbrukande vedämnen bryts med hjälp av mikroorganismer ner i den långtidsluftade aktivslamanläggningen. 8. Kartongmaskin Här tillverkas kartong i den 235 meter långa kartongmaskinen. t Alla Upphöjda siffror hänvisar till ordlistan, se bilaga 2. 4

11 2. Uppdragsbeskrivning 2.1 Problemställning Bakgrund AssiDomän Frövi vill i framtiden öka sin produktion enligt den långsiktiga framtidsvisionen i generalplanen , med en massaproduktion på ton per år och att integrera ytterligare en kartongmaskin i tillverkningen. För att nå detta mål krävs en kapacitetsökning på ett flertal platser i fabriken varav indunstningsanläggningen vid lut och kraftblocket på sulfatfabriken är en. Indunstningsanläggningen består av tre huvuddelar. Den första delen består av en 6-effekts indunstningsanläggning med sex långtubsindunstare. I denna linje är effekt IV och VI troligtvis utslitna. Den andra delen, filtratindunstningen består av två indunstningsapparater avsedda för blekerifiltrat. Den tredje delen består av två fallfilmsapparater för tillverkning av tjocklut Syfte och mål Examensarbetets syfte och mål är att lämna ett förslag om hur man kan gå till väga för att uppfylla följande frågeställningar: Huvudfrågeställning: Vilka alternativ finns för ombyggnad av effekt 1-6 med ökad kapacitet till ton massaproduktion? Delfrågeställningar: Skall en ny linje ställas upp eller skall utbytet ske i etapper? Nackdelar och fördelar till båda förslagen skall ges. Hur skall en eventuell ombyggnad gå till? Omfattning och avgränsningar Beskrivning av befintlig anläggning, kapacitet mm. Koppling till ton massaproduktion. Jämförelse med andra bruk som genomfört en liknande ombyggnad. Underlag för kommande ombyggnad tas fram tillsammans med Håkan Mattson, ÅF-Celpap. Ingenting utöver uppställda mål ska behandlas i projektet. 5

12 3 Beskrivning av Indunstningsanläggning Frövi 3.1 Översikt En indunstningsanläggnings, (figur 5) syfte är att skilja vatten från tunnlut 3. Indunstningsprocessen kan liknas vid en kaffekokare på en spisplatta där man leder bort ångan. Kaffekoncentrationen blir starkare och torrhalten 8 i kaffet har ökat. I indunstningsanläggningen vid Frövifors indunstas det lut 2 istället för kaffe. Den viktigaste orsaken till att man indunstar tunnluten är att man eftersträvar så hög torrsubstanshalt 8 på tjockluten 7 så att den blir brännbar. Tjockluten som fås i indunstningens sista steg har en torrhalt omkring %. Tjockluten används som bränsle i sodapannan 13 och sprutas med speciella munstycken in i pannan där sista vattnet i luten avdunstas. Smältan, som rinner ut ifrån sodapannan används till återvinning av vitlut 1 som behövs till kokning av massan. På AssiDomän, Frövi sker indunstning i tre huvuddelar. Två delar där lut skiljs ut och en del där surfiltrat 14 skiljs ut. Nedan ges en beskrivning av befintlig anläggning med en koppling till ton massaproduktion per år. Indunstningens nuvarande kapacitet är totalt 348 t/h avdunstat vatten. Effekt I-VI Slutförtjockare 1och 2 Effekt 7 och 8 Figur 5.Indunstningsanläggning Lutcistern 6

13 3.2 Indunstning Effekter Det första steget i indunstningsprocessen kallas förindunstningen och består av 6 stycken effekter 22 i en serie, effekt I VI. Hit kommer svartlut 2 från kokeriet. Effekt I och IV VI är av stigfilmstyp (figur 6). En stigfilmseffekt fungerar som en motströmsvärmeväxlare. Luten som pumpas in i botten stiger upp i rören genom effekten. Runt rören innehållande lut finns ångan, vars temperatur är högre än lutens. Det bildas kondensat på rörens utsidor som leds Ånga in. ut i botten av effekten. På lutens väg genom effekten överförs ångans kondensationsvärme till luten, så att luten börjar koka och lutånga avgår. Lutens torrhalt ökar. Lutens hastighet i effekten är ca 25 m/s. Kondensat ut. Ånga ut Lut ut. En stigfilmsindunstare behöver inte drivas med lika högt ångtryck som en fallfilmsindunstare. Lut in. Figur 6. Stigfilmseffekt Effekt II och III är av fallfilmstyp. I en fallfilmsindunstare kommer luten in uppifrån och rinner ner på de heta lamellerna 20 innehållande ånga. Ångan som också kommer in uppifrån gör att fallfilmsindunstaren fungerar som en medströmsvärmeväxlare. Kondensatet som uppstår rinner ner på insidan av lamellerna och ut i botten. Luten blir snabbt het när den som en tunn film rinner ner på lamellerna. I dessa effekter behövs därför ingen uppvärmningszon och hela värmeytan nyttjas effektivt. Luten indunstas och lutånga avgår. Då det inte finns någon speciell uppvärmningszon så sker sällan lutöverbäring 12 eller inkrusterbeläggningar 18. För att värmeytorna inte ska koka torra behövs cirkulationspumpar som ger ett jämt flöde av lut över värmeytorna hela tiden. Därför är fallfilmsindunstare oberoende av indunstningens belastning. I botten av indunstningsapparaten finns en ackumulerad vätskevolym vilket förhindrar att variationer i inkommande flöde eller andra störningar orsakar problem p.g.a. brist på vätska i apparaten. 7

14 3.2.2 Förindunstning Ångflödet går i effekternas nummerföljd genom förindunstningen (figur 7). Färskånga tas in på effekt nummer I. I de nästkommande effekterna används återvunnen lutånga från föregående effekt. Genom att skapa ett tryck som är lägre än i föregående steg kan man förånga luten vid lägre temperatur i de efterföljande stegen. Lutens väg genom förindunstningen börjar i effekt nummer IV för att sedan gå vidare till effekt V och VI och slutligen till effekt I III. Att indunstiningen av lut startar i effekt nummer IV, beror på att färskångans temperatur i effekt I är hög och blandluten är för tunn. Detta medför inkrusterbeläggningar. Ett annat problem som uppstår är skumning 11 som leder till lutöverbäring. Tunnluten kommer ifrån tvätteriet och har en torrhalt på ca 15 %. Innan tunnluten förs in i indunstningssystemet blandar man i mellantjocklut för att öka torrhalten. Det finns två skäl till detta: Om luten är för tunn finns risk att den skummar, vilket kan orsaka lutöverbäring. Det blir en bättre avskiljning 10 av såpan 9. Med en för hög inblandning av mellantjocklut i tunnluten sänks anläggningens kapacitet och resultatet blir en större cirkulerande lutmängd i processen. Genom en torrhaltsökning höjs kokpunkten på luten. Vidare höjs viskositeten på luten och det i sin tur medför att värmeöverföringen till luten minskar. Ångans väg Rent kondensat. Lutens väg. Smutsigt kondensat. Figur 7. Förindunstning 8

15 3.2.3 Slutförtjockare Slutförtjockarna (figur 8) är indunstningens andra steg. Den består av två effekter, 1X och 2X. Dessa två är av fallfilmstyp. Effekt 1X har 3 stycken inbyggda indunstare (steg: a, b, c) och effekt 2X har 2 stycken inbyggda indunstare (steg: a, b). I slutförtjockarna är ångan parallellkopplad i de olika stegen. Det är det som möjliggör inbyggnad av flera indunstare i samma skal. Luten är seriekopplad som i andra indunstare. Ångans väg genom slutförtjockarna börjar i effekt 1X. Där tas färskånga in som sedan fortsätter till effekt 2X som lutånga. Lutångan leds sedan vidare till effekt IV. Mellantjockluten som kommer ifrån förindunstningens effekt III har en torrhalt på ca %. Den leds in i effekt 2X av samma orsak som i förindunstningen, temperaturdifferansen är för stor mellan lut och ånga, fortsätter sedan till effekt 1X. Cirkulationspumpar finns på alla stegen, det är viktigt att det är ett bra flöde på luten. Desto torrare luten är ju lättare har den att bilda inkruster 18. Båda effekterna kan växla steg för den inkommande luten. Genom att skifta lutens väg in reduceras förekomsten av inkrusterbeläggningar. Den färdigindunstade tjockluten har en torrhalt på ca % och mixas med koncentrat från effekt 8 plus aska ifrån sodapannan. Lutblandningen sprutas in i sodapannan med speciella munstycken och ett tryck på 1,5 bar så att den finfördelas och där slutindunstas. Ångans väg Lutens väg Figur 8. Slutförtjockare 9

16 3.2.4 Blekerifiltratindunstare Den sista delen av indunstningen är filtratindunstning (figur 9), här indunstas surt filtrat 14 från blekeriet. Den består av två stycken effekter av fallfilmstyp, nummer 7 och 8. Båda effekterna drivs av lutånga ifrån effekt VI vilket gör att dessa effekter är nästan gratis i energikostnader. Lutångan kommer in i effekt 7 och går vidare till effekt 8. Det sura filtratet indunstas från en torrhalt på ca 0,7 % till ca 12 % torrhalt. Det leds in i effekt 7 och ut ur effekt 8 för att sedan blandas med luten från slutförtjockare 1X. Effekternas värmeytor är uppdelade i en mindre yta upptill och större yta nertill i tuberna. Lutångan tas in i lamellpaketens underkant. Tillsammans ger detta en möjlighet att segregera kondensaten i en mindre COD 15 -rik andel samt en större COD-fattig andel. När ångan strömmar i riktning uppåt och möter den nedströmmande kondensatfilmen uppstår en tvätteffekt av kondensatet samtidigt som en kontinuerlig COD-förstärkning av ångan sker. Lutångans väg Sura filtratets väg Figur 9. Blekerifiltratindunstning 10

17 3.2.5 Stripperanläggning I stripperanläggningen renas det smutsiga kondensatet. Allt kondensat som kommer ifrån indunstningen, förutom färskångkondensat, hamnar till slut i strippern. Där skiljs metanolhaltigt kondensat och svavelföroreningar ut. Metanolkondensatet leds sedan vidare till metanolkolonnen där kondensatet avdunstas (drivs upp) till ca 80 %, varefter det lagras i tank. Tillsammans med svavelföroreningar förbränns metanolen i gaspannan Såpavskiljning Flisen som används till massaproduktion innehåller bland annat harts- och fettsyror. Av dessa syror bildas det såpa vid sulfatkokning. För att indunstningsprocessen ska gå bra måste såpan skiljas av ifrån luten (avsnitt 2.2.2). Detta sker lättast i blandlutscisternen. Det beror på att såpan har lägst densitet i just denna lutkoncentration och lägger sig som olja på vatten. När såpaskiktet blivit 1-3 meter tjockt höjs nivån i cisternen försiktigt så att såpan bräddar över i en ränna till en såpcistern. 11

18 4. Tillvägagångssätt 4.1 Förstudie Det första steget är att studera om och hur en ombyggnad av indunstningsanläggningen är möjlig, och hur detta påverkar den förväntade produktionsökningen Insamling av driftparametrar För att fastställa befintlig status med avseende på kapacitet så utfördes en insamling av driftparametrar i indunstningsanläggningen i samarbete med Håkan Mattsson, ÅF- Celpap. En frågelista (bilaga 1) med tryck, flöde, temperaturer och torrhalter som har sammanställts av Håkan Mattsson. Dessa driftparametrar anses vara de mest relevanta för att kunna sammanställa en korrekt mass- och värmebalans över indunstningen. Anläggningen är välutrustad med mätinstrument så att samtliga efterfrågade driftparametrar samt provtagning av lut kan genomföras och besvaras. Registreringen sker under tre dagar i samma vecka för att en sann översikt av driftdata ska fås. Krav vid registrering av driftparametrar och vid provtagning i anläggningen: Att massafabriken körs stabilt och vid hög last före, efter och under avläsningar. Att stabilitet har rått minst ett dygn före provtagning för att utjämna eventuella avvikande luttorrhalter i cisternerna Provtagning av lut För att kunna bestämma torrhalter på luten uppfördes en lista av nödvändiga lutprov tillsammans med Mats Andersson, Sulfatlaboratoriet. Nedanstående lutprov togs från anläggningen: Accept från lutsil, Batchkokeriet Svartlut Slasklut, Kontkokeriet Surt filtrat, Blekeriet. Tunnlut, Indunstningen Blandlut, Indunstningen Mellanlut,Indunstningen Mellantjocklut,Indunstningen Tjocklut före mix, Indunstningen Lutproverna analyserades vid sulfatlaboratoriet, som sedan presenterade luttorrhalterna i tabell 2. 12

19 I förstudien till projektet gavs möjligheten att genomföra en studieresa till Vallvik och Iggesunds bruk. Syftet med studieresan var att studera, analysera och jämföra ombyggnation och nybyggnation av indunstningsanläggningarna på de båda bruken Ombyggnad av indunstningsanläggning på Vallvik Vallvik tillverkar kemisk massa i Rottnerosgruppens första miljöcertifierade fabriksenhet. Tillverkningen består av blekt och oblekt sulfatmassa. Bruket har en total produktionskapacitet på ton massa per år och har ca 200 anställda. Indunstningsanläggningen på Vallviks sulfatfabrik bestod innan ombyggnaden av fem stycken stigfilmseffekter och två stycken slutförtjockare av fallfilmstyp. Projektet med att förnya och modernisera indunstningsanläggningen beror dels på korrosionsproblem och materialförtunning av gamla stigfilmseffekter och slutförtjockare. Dels på att en ökning av produktionen till ton massa per år är önskvärd. Projektet är planerat att genomföras i tre etapper: Etapp 1: Byte av effekt III, IV och V från stigfilms till fallfilmseffekter med tuber som värmeytor. Installerades på samma fysiska plats som de gamla. Nya ytkondensorer. Ny kondensattank med möjlighet att separera kondensat. Installation av tre stycken nya cirkulationspumpar till varje fallfilmseffekt. Den första etappen genomfördes 2002 och kostade ca 41miljoner kronor. Innan ombyggnation genomfördes en inventering av rör och dylikt. Fabriken stannade sin produktion 1 ½ dygn innan demontering av gamla effekter startade, för att bland annat utföra gasmätning. Rivning av gamla effekter III, IV och V och installation av nya sker under 12 dagar, monteringstid. Stillestånd av fabriken i dygn under installation och testkörning. Etapp 2: Beräknad kostnad är ca 9 miljoner kronor. Innandöme i slutförtjockare 1 ska bytas. 13

20 Etapp 3: Beräknad kostnad är 76 miljoner kronor. Byte av effekt I och II från stigfilm- till fallfilmseffekter. Installation av två stycken nya cirkulationspumpar till varje fallfilmseffekt. Installation och integrering av ny kondensatstripper. Nytt innandöme av slutförtjockare 2. Nytt vakuumpumpsystem. Slutsats och jämförelse Positiva reflektioner Kräver ej så stora investeringar vid en och samma tidpunkt med en etappvis ombyggnation. Fallfilmseffekter kan köras både på lågtrycks och mellantrycksånga. Möjlig att köra vid låg last. Man har en kontinuerlig provtagning av restalkalier. Inventering av rör o dylikt. Platsbesparing att placera nya effekter på de gamlas plats. Negativa reflektioner Lång stopptid = hög stilleståndskostnad. Ej ekonomiskt försvarbart med produktionsstopp av sådan dignitet. Tar lång tid innan hela linjen är utbytt. Kondensattank med möjlighet att separera kondensat kan ej användas i Frövi pga. tillverkning av vätskekartong. Vid eventuell anskaffning av ytterligare en kartongmaskin, kan två indunstningslinjer vara att föredra för att undvika stillestånd Nybyggnad av indunstningsanläggning på Iggesund Iggesund Paperboard AB är en av de största tillverkarna av kartong i Europa och ingår i Holmen Group med ca 1000 anställda. Bruket har en total produktionskapacitet på ca ton massa per år och har två kartongmaskiner som producerar ca ton kartong per år. Indunstningen bestod innan nybyggnaden av två gamla linjer. Den äldsta utav dem ersattes med en ny indunstningslinje 1999 och projektet genomfördes i en etapp. Den nya parallella linjen medförde: större flexibilitet (låg fart om detta önskas). högre tillgänglighet. bättre åtkomlighet för underhåll (kan reparera en linje i taget). Målet med den nya indunstningslinjen var en torrhaltsökning till %, en ökning av massaproduktionen till t/år och från 210 till 220 t/h avdunstat vatten. 14

21 Den nya linjen besår av: Två slutförtjockare (slutkoncentratorer) Fyra fallfilmseffekter Två lutförvärmare Förkondensor Efterkondensor Kondensatkylare Sju flashtankar Vakuumpumpsystem Tjugo pumpar Slutsats och jämförelse Slutförtjockare och effekt II är av tubelltyp, dvs. en effekt med lut på utsidan och ånga på insidan av rören. Detta främst för att förhindra inkrusterbeläggningar. Tuber 22 valdes istället för lameller som värmeytor, eftersom svetsfogarna i lamellerna är känsligare för korrosion i lutmiljö. Tuber i effekter medför att provtryckning kan göras med anläggningens tryck (tre bar). Positiva reflektioner Rent och inget buller. Tydlig identifiering av rör och dylikt. Inga ben på effekter. Taket tar upp effekternas vikt. Kort stopptid = inte så stort produktionsbortfall. Två indunstningslinjer parallellt. Negativa reflektioner Stor investering vid en och samma tidpunkt. Kan inte tryckändra enskilda produktionsenheter. 15

22 5 Resultat 5.1 Mass- och värmebalans Med hjälp av insamlade driftparametrar (kap.4.1.1) sammanställde Håkan Mattsson, ÅF-Celpap en mass- och värmebalans (schema 1) som projektet fick ta del av. Balansen är baserad på ett jämnt flöde av mängden mellanlut från effekt VI till effekt I. De värden som nämns som balanserade är framräknade i balansen. Utläggning står för anläggningens teoretiska värden från tillverkare och installatörer Driftdata I balansen framgår driftkapaciteten och en jämförelse mellan balansens värden, uppmätta värden och anläggningens utläggning. De viktigaste parametrarna är sammanställda i tabell 1 och schema 2. Svart text=beräknad data Röd fet stil=jämför utläggning Blå fet stil=mätdata 20/ /4 balans 20/4 uppmätt Utläggning Avdunstat Totalt (t/h) 348,1 355,0 Avdunstat 1X-2X & E1-E6 (t/h) 298,0 291 Avdunstat 7X+8X (t/h) 50,2 64 IN: Blandlut till E4 (t/h) 400,6 400,6 Blekeriavlopp efter inblandning av (t/h) 60,9 60,9 blandlut UT: Mellantjocklut till blandlutförstärkning (t/h) 7,6 Mellantjocklut till kont-kokflash (8 l/s) (t/h) 36,7 Tjocklut (t/h) 69,0 Koncentrat från (7X & 8X) (t/h) 10,7 10,7 TS-flöde bas flöde BL, MTJL & QF (t/d) jfr. TS-flöde bas uppmätt tunnlut (t/d) Tjocklut-torrhalt (%TS) 73,6 73,6 72 Färskånga, totalt inklusive stripper (t/h) 69,5 66,6 63,2 Ångekonomi - Total (t få / t 0,20 0,19 0,18 avd) Färskångtryck E1 bar(e) 2,61 2,61 4,2 Färskångtryck 1X bar(e) 2,82 2,82 4,2 Luttemperatur E6 C ca.60 Luttemperatur 8X C ca.40 Varmvattentemperatur C 47,8 47,8 50 Blandlut till E4 (l/s) (kg/dm3) 1,07 (%TS) 18,4 18,4 C Mellantjocklut till blandlutförstärkning (%TS) 45,3 45,3 Mellantjocklut till kont-kokflash (%TS) 56,7 Tunnlut (t/h) 337,0 (l/s) 88,3 Tabell 1. Frövi Indunstning - (kg/dm3) 1,06 Sammanställning drift 20/ (%TS) 17,8

23 Flöde till/från mellanluttank ansatt lika. Svart text = beräknade data Röd fetstil = Jämför utläggning Blå fetstil = Mätdata 20/4 348 t/h avd. 298t/h avd. 50 t/h avd. QF-Konc. Kontroll: Massbalans hela syst MTJL 1X-2X & 11 t/h 7X-8X in 461,4660 E1-E6 12,5 %TS ut 461,4660 BL 61t/h Massbalans 1x-2x & e1-e6 401t/h 2,2%TS in 411, ,4 %TS BL ut 411,2928 8t/h BL-tank 18,4 %TS TS-balans hela syst MTJL 45%TS in 7505,042 37t/h QF ut 7504,747 57%TS 6t/h 55t/h 0,5%TS Kontkok Blekeriavlopp före inblandning av blandlut (t/h) 55,1 (l/s) 15,3 Blekeriavlopp före inblandning av blandlut (ca. %TS) 0,5 Blandlut till blekeriavlopp (t/h) 5,8 (l/s) 1,5 Blekeriavlopp efter inblandning av blandlut (%TS) 2,2 Koncentrat från (7X & 8X) (l/s) 2,8 (kg/dm3) 1,06 (ca. %TS) 12,5 Schema 2. Frövi Indunstning - Sammanställning drift 20/

24 Reflektioner angående driftdata: Kapaciteten hos effekterna I-VI och 1X-2X är lite högre än utläggningen. Kapaciteten hos effekterna 7-8 är lägre än utläggningen. Tjocklutens torrhalt är högre än utläggningen. Färskångtrycket efter reglerventil till effekt I är ungefär hälften av tillgängligt tryck. Är en ökning av indunstningens kapacitet möjlig genom en höjning av trycket? Svar: En kapacitetsökning av indunstningsanläggningen är möjlig, eftersom anläggningen inte körs på full effekt för närvarande. Färskångtrycket efter reglerventil till slutförtjockare 1 är ungefär hälften av tillgängligt tryck. Uppmätt färskångsförbrukning in på effekt I och slutförtjockare 1 är högre än utläggningen. Det balanserade torrsubstansflödet är högre än utläggning. Med den uppmätta mängden tunnlut och dess torrhalt ger vid beräkning av torrsubstansflödet (TS), ett större TS-värde än i balansen och i utläggningen. Har det med ångflödet att göra? Mass- och värmebalans Schema 1 visar en mass- och värmebalans över hela indunstningsanläggningen. Den redovisar beräknade värden på effekternas värmeyta, överfört värme, inkommande ångas mättningstemperatur, temperaturdifferens, värmegenomgångskoefficient och värmegenomgångskoefficient som procent av idealt förhållande. 18

25 Schema 1. Mass- och värmebalans 19

26 Reflektioner angående grafisk mass- och värmebalans Förindunstningen går sammanfattningsvis bra. Effekt I III går inte så bra men det uppvägs av effekt IV VI som får extra tillförsel av ånga från effekt 2X. Temperaturdifferanserna i effekterna II och III är ringa vilket visar att det inte är så stora inkrusterbeläggningar. Det beror på att effekterna är av fallfilmstyp och har lutcirkulation. Höga temeperaturdifferanser på effekt IV och VI. Detta beror troligtvis på inkrusterbeläggningar och korrosion Lutanalyser Tabell 2 visar torrhalt vid tre provtillfällen. Även restalkalie och suspensionshalt som dock inte behandlas vidare i denna rapport. Analyserat av: Sulfatlaboratoriet Datum Th, % Provplats Nr Th, % Th, % Accept från lutsil, Batchkokeriet 1 18,5 16,8 15,6 Svartlut uppe (26K14), 2 12,4 12,9 13,5 Kontkokeriet Slasklut (vid Gasklockan) 3 2,8 3,2 4,7 Surt filtrat (Blekeriet) 4 0,44 2,6 0,50 Tunnlut (provkopp 5 17,5 17,3 17,8 Indunstningen) Blandlut (provkopp 6 18,5 18,6 18,4 Indunstningen) Mellanlut (provkopp 7 31,2 29,5 29,0 Indunstningen) Mellantjocklut (provkopp 8 43,9 44,3 45,3 Indunstningen) Tjocklut före mix (provkopp 9 68,9 71,3 73,6 Indunstningen) Blandlut (provkopp Indunstningen) Blandlut (provkopp Indunstningen) Metoder: Torrhalt, Th, på tjocklut (SCAN- N 22:96) Susphalt (viraduk 70 µm) Svartlut, effektivt restalkali (SCAN-N 33:94) Tabell 2. Lutanalys Reflektioner angående torrhalter i indunstningen. Susp, mg/l Susp, mg/l Susp, mg/l 6 2,5 2,5 15,0 Restalk. g/l Restalk. g/l Restalk. g/l 6 9,8 9,3 8,7 Lutprov tagna i provkopp vid tre provtillfällen har vid torrhaltsanalys visat sig vara rimliga. 20

27 6 Diskussion Utifrån resultatet har följande slutledningar dragits: Höga temeperaturdifferanser på effekt IV och VI som troligtvis beror på inkrusterbeläggningar. Korrosionsstatus har visat sig vara bättre än väntat. Indunstningsanläggningen körs idag med ett lägre ångtryck 2.65 bar (e) a än det tillgängliga 4.46 bar (e). Det visar att anläggningen inte går på full fart, inte körs med gasen i botten citat av Håkan Mattsson, ÅF-Celpap. Fallfilmseffekter med lutcirkulation är bättre än effekter av stigfilmstyp: inkrusterbeläggningar förekommer inte lika frekvent. bättre låglastegenskaper, möjlighet finns att köra vid låg last. kan tvättas under drift. låg störningskänslighet. kan köras både på lågtrycks och mellantrycksånga. En minskad förbrukning av ånga skulle kunna vara möjlig för att: färskånga in på effekt I återanvänds sex gånger och färskånga in på effekt 1X återanvänds endast fem gånger. Vid en ökning av färskånga in på effekt I sker automatiskt en höjning av torrhalten, vilket leder till att färskånga till effekt 1X kan minskas utan att torrhalten ut blir förändrad. Ökningen på effekt I är ca 90% av minskningen på effekt 1X. Indunstningsanläggningen körs inte på full effekt vid nuvarande massaproduktion. Anläggningen har en termisk kapacitetsmarginal på ytterligare t/h avdunstat vatten (Håkan Mattsson, ÅF-Celpap). Vid beräkning av indunstningens kapacitet antas att ångbildningsvärmen, r som är skillnaden mellan ångans och vattnets entalpi ha ett konstant värde på 2250 [kj/kg] och att värmeöverförningen beräknas enligt sambandet: Q = k A Q = överfört värme [kw] k = värmegenomgångskoefficient (k-värde) [kwm -2 o C -1 ] A = värmeyta [m 2 ] T = temperaturdifferans [ o C] a e=effektivt tryck vilket är det samma som atmosfärstryck. 21

28 För att bestämma en mer exakt teoretisk termisk kapacitetsmarginal och den totala teoretiska kapacitetsökningen för effekt I - VI utfördes följande beräkning: Färskångtryck in på effekt I. Nuvarande tryck 2,6 bar(e) T mätt = 140 o C, Wester Lars, [3] Tillgängligt tryck 4,2 bar(e) T mätt = 154 o C, Wester Lars, [3] T mätt = ångans mättningstemperatur vid ett givet tryck [ o C] T mätt = = 14 o C Summan av temperaturdifferanser för effekt I VI (avsnitt 5.1.2): Σ T EI EVI 9,4+5,4+5,2+11,8+6,8+13,6 = 52,2 o C Teoretisk termisk kapacitetsökning: T mätt / Σ T EI EVI 14 / 52,2 = 0,268 0,27 = 27%. Totalt behövs 298 t/h avdunstat vatten från effekt I VI, effekt 1X och 2X (tabell 1) för en massaproduktion på t/år. Teoretiskt finns det kapacitet för att höja produktionen med ca 27 %. Detta ger en teoretisk ökning av avdunstat vatten 298 0,27 81 t/h. Vid beräkning av avdunstad mängd vatten för kapacitetsökning till massaproduktion t/år ställdes följande balans upp: t/år = 298 t/h t/år = X X = ( )/255 X = 373 t/h = 75 t/h avdunstat vatten. 75/298 = 0,251 Följaktligen krävs en ökning av kapaciteten på ca 25%. 22

29 Enligt uppgift på möte med Håkan Mattsson, ÅF-Celpap ger en kapacitet på 298 t/h en trolig massaproduktion på t/år. Vid en önskad en produktionsökning till t/år krävs en mindre ökning av avdunstad mängd vatten än i tidigare beräkning, och en lägre kapacitetsökning, vilket visas i följande beräkning. Avdunstad mängd vatten: t/år = 298 t/h t/år = X X = ( )/280 X = 340 t/h = 42 t/h avdunstat vatten. 42/298 = 0,14 Det ger en ökning av kapaciteten på ca 14%. Indunstningsanläggningen klarar enligt ovanstående beräkningar av en produktionsökning på ca 14 % utan ombyggnad. För att visa hur mycket trycket på färskånga behöver höjas vid en kapacitetsökning på 14% utfördes följande beräkningar: T mätt /52,2 = 0,14 T mätt = 0,14 52,2 = 7,3 o C T mätt = X 140 X = 140+7,3 = 147,3 o C Tryck 3,4 bar(e) T mätt = 147 o C, [3] Färskångtrycket behöver höjas till 3,4 bar(e) för att uppnå den önskade kapacitetsökningen. 23

30 7 Slutsats Huvudfrågeställning: Vilka alternativ finns för ombyggnad av effekt 1-6 med ökad kapacitet till ton massaproduktion? Att ge alternativ för en ombyggnad av indunstningsanläggningen är inte nödvändigt eller motiverat då det vid dagens produktion inte är indunstningsanläggningen utan sodapannan som är den egentliga flaskhalsen. Sodapannan körs idag på sin maxkapacitet och i dagsläget klarar inte sodapanna och lagercisterner av en sådan hög produktion av lut som en massaproduktion på t/år genererar. Vid en större produktionsökning måste en investering ske, antingen i en ny eller i en utbyggnad av befintlig sodapanna. En annan aspekt kan vara ligninutfällning, ett område där forskning fortfarande pågår. Delfrågeställningar: Skall en ny linje ställas upp eller skall utbytet ske i etapper? Nackdelar och fördelar till båda förslagen skall ges. Slutsatsen av huvudfrågan rekommenderar ej att en nybyggnation eller ombyggnation bör genomföras, dock har nackdelar och fördelar om de bägge förslagen givits i avsnitt och Hur skall en eventuell ombyggnad gå till? Frågeställningen är ej relevant med avseende på tidigare dragna slutsatser. 24

31 8 Riskbedömning Det kan finnas ett flertal risker med en tryckökning av färskånga. Problem med inkrusterbeläggningar, främst i effekt I III. Lägre torrhalt på luten ut från effekt III. Lutöverbäring, främst i effekt IV VI. Orena kondensat. Vid en massaproduktionsökning till t/år kan en provkörning av anläggningen vara aktuell. Enligt generalplan är en produktionsökning till t/år endast ett delmål för vidare produktionsökningar upp till t/år, och då bör ovanstående risker ej tas. 25

32 9 Källförteckning 1. Alvarez Henrik (1990); Energiteknik, del 1-2. Studentlitteratur. ISBN X Lund, Sverige. 2. Kassberg Mats (1994); Lutindunstning och biprodukter. Skogsindustrins utbildning. ISBN Markaryd, Sverige. 3. Wester Lars (1989); Tabeller och diagram för energitekniska beräkningar. 4. AssiDomän, Frövi. Intranet. 26

33 10 Bilagor Delar av bilagorna och alla ritningar ingår ej i den del av examensarbetet som publiceras som PDF-fil. Dessa delar finns i originalet. 1. Driftparametrar från den 20/ Ordlista. 3. Ritningar , 1-4 över indunstningsanläggning, Frövi. 27

34 Bilaga 1 Svar till Håkan Mattsson Tvättprocedur effekt 1X: Förekommer inkrustering i 1X? En sektion i taget eller alla tre samtidigt? Är en sektion alltid avställd för tvätt? Om inte, tvättfrekvens? Lite, men inget problem. Alla tillsammans. Nej. Tvättas när tillfälle ges. Tvättprocedur effekt 2X: Förekommer inkrustering i 2X? Om ja, tvättfrekvens? Nej. Tvättas när tillfälle ges. Tvättprocedur effekt 7X: Vattenolösliga inkruster? Om ja, tvättfrekvens? Inblandning med blandlut hjälper mot inkruster. Tvättas när tillfälle ges. Tvättprocedur effekt 8X: Vattenolösliga inkruster? Samma som i effekt 7X. Om ja, tvättfrekvens? Tvättas när tillfälle ges. Tvättprocedur effekt 1, 2, 3: Förekommer inkrustering i någon av dessa? Ja. Om ja,vilka specifika apparater och tvättfrekvens? I effekt nummer 1. Tvättas när tillfälle ges. Tvättprocedur lutförvärmare: Förekommer inkrustering i någon av dessa? Ja. Om ja,vilka specifika apparater och tvättfrekvens? I LFV1. Används ej. Luftförvärmare tvättas i samband med annan tvätt. Är LFV1 tagen ur drift? Ja. Ange om andra driftproblem föreligger. Störst problem med inkruster i rörledningar efter slutförtjockarna. Vilka lutångkondensat tas ut separat från anläggningen? 2,3 och 4 tas ut tillsammans. 5 och 6 tas ut tillsammans. 7x och 8x tillsammans. Hur fördelas mängderna? 2,3 och 4 har ett flöde på 31 l/s. 5 och 6 flöde på 29,5 l/s. 7x och 8x tillsammans till stripper, metanolhaltigt 5 l/s. 7x och 8x till dammen har ett flöde på 15 l/s. Vart leds lutångkondensaten? (Mixeri, massatvätt, externrening, avlopp? 2,3, och 4 intern fjärrvärme och smutsvattengrop. 5 och 6 hetvatten till mixeriet. 7x:s och 8x:s kondensat från toppen går till strippern. Det nedre från båda går till 28

35 dammen. Behöver man aldrig köra vid högre last, har den så pass stor marginal? Kan inte köra in mer ånga än det finns behov av. Mängd lut in bestämmer. Finns dåliga erfarenheter från drift > 3 bar(e)? När trycket ökar vet man att indunstningen är igensatt (inkruster). Begränsas kapaciteten av andra parametrar än ångtrycket som t.ex.: allvarlig ökning av inkruster pga. högre värmelast (E1,2,3 & 1X)? allvarlig ökning av inkruster pga. högre absolut drifttemperatur (fibrer i E1)? Vet ej vad som är orsak till inkruster. överbäring (svarta kondensat) pga. höga lutånghastigheter? Inga problem med överbäring. Endast vid uppstart. hydrauliska kapacitetsbegränsningar (pumpar, rör, reglerventiler)? Nej. tryckfall i rörsystem för lågtrycksånga (vilken öppningsgrad har färskångventilerna)? Beror på igensättningar. någon annan begränsning? Sodapannans kapacitet. Anteckna öppningsgrad ångflödesreglerventil till 1X (vid F2). Datum Öppningsgrad Tryck efter ventil 13/4 28% 2,06 bar 14/4 30% 2,52 bar 20/4 32% 2,92 bar Anteckna öppningsgrad ångreglerventil till E1 (vid F1). Datum Öppningsgrad Tryck efter ventil 13/4 18% 1,41 bar 14/4 25% 2,1 bar 20/4 32% 2,72 bar Körs hetvattenkondensorn för avdragsånga från E5? Ibland, den styrs av nivån i hetvattenburken. Om ja, anteckna vattenflöde och vattentemperatur in & ut. Vid de aktuella provtillfällena användes den inte. 29

36 Kylvattentemperaturer efter kondensorerna vid 8X (T6) består i två; direkt efter kondensorn och sedan efter kallvatten-bypassen. (Anteckna och benämn dessa T6A och T6B) Datum T6a T6b 13/4 29 o C 29,8 o C 14/4 27,6 o C 28,3 o C 20/4 27,2 o C 27,9 o C Bypassventil var stängd vid de aktuella provtillfällena. Flöde av mellanlut för blandlutförstärkning (vid M5). Ingen inblandning. Mellantjocklut blandas in, men det finns ingen flödesmätning på detta. Uppgift på balanserat TS-flödet vid stabil och hög massaproduktion (att stämma av mot tunnlutflöde tjocklutflöde = avdunstning). Tunnlutsflödet styrs av TS-värdet ca g/l på tjockluten. Tjockluten har ingen flödesmätare. 30

37 Bilaga 2 Ordlista 1. Vitlut: Vid framställning av sulfatmassa kokas träflisens fibrer loss i en vätska som kallas vitlut. Dess viktigaste komponenter är b l a. natriumhydroxid och natriumsulfid. 2. Svartlut: Avfallsluten efter kokning kallas svartlut och består av tunnlut. 3. Tunnlut: Lut från tvätterit till indunstning. 4. Blandlut: Tunnlut blandat med mellanlut. 5. Mellanlut: Delvis indunstad blandlut. 6. Mellantjocklut: Delvis indunstad mellanlut. 7. Tjocklut: Färdigindunstad lut. 8. Torr (substans) halt: Mått på mängd vatten som avdunstat ur lösningen (luten). 9. Såpa: En restprodukt från luten. 10. Såpa av: När såpa plus andra restprodukter skils ifrån luten. Sker i lagertankar. 11. Skumning: När luten är kokar för häftigt och det följer med lut i ångblåsorna. Sker när det är för mycket ånga eller att det är såpa kvar i luten. 12. Lutöverbäring: Lutdroppar kan följa med lutångan om skumningen är för häftig. 13. Sodapanna: I denna panna sker förbränning av lut. 14. Surfiltrat: Avfallsprodukt från blekeriet. 15. COD: Kemisk syreförbrukande substans. 16. BOD: Biologisk syreförbrukande substans. T ex. metanol. 17. Lignin: Fungerar som ett kitt som binder ihop cellulosafibrerna så att veden får mekanisk stadga. Finns naturligt i veden. 18. Inkrusterbeläggningar: Bildas när luten blir för varm och bränns fast i effekten. 19. Gaspanna: Här förbränns gaser, bl a metanolen. 20. Lameller: Värmeytor gjorda av stålplåtar som punktsvetsas ihop och blåses upp till madrassliknande form. 21. Tuber: Flera rör som tillsammans bildar värmeytan i effekten. 22. Effekt: Stor behållare där lut indunstas, dvs luten koncentreras. 31