BERÄKNINGSANALYS AV TORRSUBSTANS- HÖJNING

Södra Cell Värö 2016 09 08 BERÄKNINGSANALYS AV TORRSUBSTANS- HÖJNING Södra Skogsägarnas Ekonomiska Förening Olof Bengtsson Oskar Koivuniemi

SAMMANFATTNING Södra Cell Värö står inför en omfattande investering, bl.a. en kompletterande indunstningsanläggning med en superkoncentrator samt utbyggnation av sodapannan. Många andra processavdelningar omfattas också av ombyggnationen, men dessa utgör ingen del av examensarbetet. Projektarbetet redogör för hur en torrsubstanshöjning på bränslet från indunstningen påverkar energiinnehållet i brännluten, sodapannans effektökning samt kostnadsekonomin. Det finns två olika beräkningssätt att förhålla sig till, en teoretisk samt faktiskt del. Det teoretiska antagandet förhåller sig till hundra procent torrt bränsle, medan det faktiska tar hänsyn till vatteninnehållet. De teoretiska beräkningarna visar att det inte endast är fördelaktigt att öka torrsubstanshalten från indunstningen på bibehållen produktion av sodapannan. Den minskade vattenavdunstningen vid förbränningen i sodapannan står bara för en liten del av energiåtgången, i jämförelse med väteavgången samt den kemiska reduktionen i absolut torr brännlut. De faktiska beräkningarna visar tvärtom den teoretiska, att det är fördelaktigt att öka torrsubstanshalten från indunstningen på bibehållen produktion av sodapannan. Sett ur faktiskt perspektiv gör vatteninnehållet i brännluten en avgörande del om hur effektiv förbränningen egentligen blir. 2

INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1.0 Inledning...5 1.1 Metod...5 1.2 Avgränsningar...5 2.0 Teori...6 2.1 Definiering av värmevärde...6 2.2 Bestämning av värmevärde...7 2.3 Energiavgivning sodapanna...7 2.4 Energi & effekt...7 3.0 Beräkningar...8 3.1 Effektivt värmevärde brännlut tidigare indunstning...8 3.2 Effektivt värmevärde nya indunstningen...8 3.3 Konsekvens värmevärde...8 3.4 Effekt tidigare sodapanna & referenspanna... 10 3.5 Ångflöde tidigare sodapanna & referenspanna... 11 3.6 Nya sodapannan... 12 3.7 Ekonomi... 13 3.8 Beräkning faktiskt värmevärde... 15 3.8.1 Konsekvens faktiskt värmevärde... 16 3.8.2 Faktisk effekt tidigare sodapanna & referenspanna... 16 3.8.3 Faktiskt ångflöde... 17 3.8.4 Faktisk ekonomi... 18 4.0 Resultat... 20 4.1 Brännlutens energiinnehåll torrsubstansökning... 20 4.2 Sodapannans ång- samt effektökning torrsubstansökning... 20 4.3 Ekonomi torrsubstansökning... 21 3

5.0 Diskussion & Analys... 22 5.1 Analys värmevärde brännlut... 22 5.2 Analys ång- samt effektökning... 23 5.3 Analys ekonomi... 24 5.4 Reflektioner... 24 6.0 Slutsats... 25 6.1 Slutsats... 25 7.0 Referenser... 26 8.0 Bilagor... 27 8.1 Sammanställning uppgifter... 27 4

1.0 INLEDNING Massabruket i Södra Cell Värö står inför en omfattande ombyggnation vilket innebär en kapacitetsökning från 450 000 till 700 000 ton per år. Denna modernisering kräver även en volymutbyggnad av sodapannan i form av större eldstadsvolym, ytterligare lutsprutor, extra överhettare och ekonomiser, nytt vattenscreen och en ny rökgaslinje. Detta gör att kapacitetsökningen på sodapannan går från 2 500 till 4 000 ton torrsubstans per dygn. Hur påverkas energiinnehållet i brännluten vid en torrsubstansökning? Dessutom, hur stor blir ångproduktionen samt effektökningen av sodapannan med avseende på endast torrhaltsökningen? Avslutningsvis, vad är den slutliga förtjänsten för torrsubstanshöjningen? 1.1 METOD En struktur skapades tidigt i projektet samt en prioriteringsordning om hur problematiken skulle lösas. Internet har varit en fortlöpande hjälp genom hela projektarbetet, och därav också många andra examensarbeten som är lättillgängliga för läsning. Befintliga driftinstruktioner och andra dokument har också legat till viss hjälp för projektet. Projektunderlaget är också framtaget med stor hjälp av de lokala processingenjörerna från Södra Cell Väröbruk som hjälpt till med att ta fram beräkningar, processvärden samt annan värdefull information. Bevisningen har förhållit sig till två olika metoder att framställa resultatet; teoretisk och faktiskt. Projektet har försökt att förhålla sig till båda, även om tonvikten har förlagts till den teoretiska. 1.2 AVGRÄNSNINGAR Tydliga avgränsningar har gjorts för att lättare kunna göra en tydlig analys av projektet. Följande är sådana avgränsningar: Pumpförluster Värmeförluster Elektrisk energiåtgång Fasta specifikationer från leverantören samt processbeskrivningar Matematiska beräkningar har svaret exakt lika med använts, såvida avrundningen inte skiljer sig från noggrannheten från de beräknade siffrorna 5

2.0 TEORI Teorin bakom projektarbetet är att desto mindre vatteninnehåll i bränslet, desto effektivare förbränning. Då olika bränslen skall jämföras som till exempel olika torrhalter på brännluten är bestämning av bränslets effektiva värmevärde grundläggande för att gå vidare med beräkningarna. För att klargöra vad värmevärde i brännlut innebär, måste hänsyn tas vid flera andra aspekter, bland annat bränslets torrhalt, reduktionsförlust i from av energi, energiförlust i form av väteavgivelse vid förbränning. 2.1 DEFINIERING AV VÄRMEVÄRDE Värmevärdet är ett begrepp som används för att bestämma hur mycket energi som avges vid förbränning av ett bränsle. Det finns två olika typer av värmevärden: Kalometriskt värmevärde (HHV, Higher Heating Value) Effektivt värmevärde (LHV, Lower Heating Value) Kalometriskt värmevärde är den tillförda energin som ett bränsle innehåller. Det vill säga utan förluster. Effektivt värmevärde är den nyttiga energin, som går att utnyttja. För bestämning av det kalometriska värmevärdet används en bombkalorimeter. Bränslet läggs i en behållare och förbränns fullständigt med hjälp av rent syre. Allt sker i ett vattenbad. Energin som avges värmer upp vattnet. Temperaturökningen på vattnet bestämmer därför hur mycket energi som frigjorts och man får fram bränslets kalometriska värmevärde. Det effektiva värmevärdet är det mest intressanta vid beräkningar av förbränningsanläggningar, t.ex. sodapannor, och därför måste det kalometriska värmevärdet omvandlas till effektivt. LHV = HHV 2,4425 2 18 H bränsle 1 ts 2,4425 ts Svaret anges i MJ/kg ts 2,4425 är ångbildningsvärmet för vatten vid 25 ºC i MJ/kg 18 och 2 är molvikterna för vatten och väte (H2) 6

H bränsle står för andelen väte på torrt prov och ts är torrhalten på bränslet (kg ts/kg bränsle). 1-ts är förhållandet mellan fuktigt och torrt bränsle avgiven som ångbildningsvärme 2.2 BESTÄMNING VÄRMEVÄRDE BRÄNNLUT Svavelinnehållet i brännluten försvårar bestämmandet av det effektiva värmevärdet, dessutom oxideras inte svavlet i sodapannan. Istället så sker en reduktion av svavlet i sodapannans nedre del, huvudsakligen via reaktionen natriumsulfat (Na 2 SO 4 ) till natriumsulfid (Na 2 S). Denna endoterma reaktion kräver energi som då inte blir tillgänglig för ångproduktionen. LHV = HHV 2,4425 2 18 H bränsle 1 ts 2,4425 12,9 Ƞ ts red 78 32 S bränsle Svaret anges i MJ/kg TS 12,9 är reaktionsvärmet för reaktionen Na 2 SO 4 till Na 2 S (i MJ/kg ts) 78 är molvikterna för Na 2 S och S S bränsle är andelen svavel på torrt prov Ƞ red anger hur mycket av det totala svavlet som omvandlats till Na 2 S 2.3 ENERGIAVGIVNING SODAPANNA En annan viktig aspekt är jämförelsen om hur mycket energi sodapannan avger vid olika värmevärden på brännluten. Följande energiformel har använts i beräkningarna för detta projekt: Flöde kgts/dygn LVH Ƞ sodapanna = Energi sodapanna dygn 2.4 ENERGI & EFFEKT Energi är något som alltid finns lagrat och bara överföras från en form till en annan. Energi anges i enheten Joule [J]. Effekt är energi som omvandlats per tidsenhet. Effekt är energi i arbete. Effekt anges i [W]. Effekt = Energi Tid 7

3.0 BERÄKNINGAR 3.1 EFFEKTIVT VÄRMEVÄRDE BRÄNNLUT TIDIGARE INDUNSTNING För att analysera torrhaltens påverkan på brännluten och vad det ger i värmevärde, är följande faktorer specificerade: HHV brännlut 13,70 MJ/kg TS Väte i brännlut 3,7 % Svavel i brännlut 4,9 % Torrhalt brännlut 75 % Reduktion Sodapanna 90 % Beräkning av det effektiva värmevärdet (LHV) för brännluten, från den tidigare indunstningen blir således med formeln som presenterades i kapitlet 2.0 Teori: 13,70 2,4425 [ 18 ] 0,037 [1 0,75] 2,4425 12,9 0,9 [78 ] 0,049 = 2 0,75 32 10,69 MJ/kgTS 3.2 EFFEKTIVT VÄRMEVÄRDE BRÄNNLUT NYA INDUNSTNINGEN På samma sätt som ovan, används samma faktorer som tidigare avsett på väte, svavel och reduktion, men torrhalten höjs nu till 82%. Beräkning av det effektiva värmevärdet (LHV) för brännluten, från den nya indunstningen blir således med formeln som presenterades i kapitlet 2.0 Teori: 13,70 2,4425 [ 18 ] 0,037 [1 0,82] 2,4425 12,9 0,9 [78 ] 0,049 = 2 0,82 32 10,96 MJ/kgTS 3.3 KONSEKVENS VÄRMEVÄRDE Jämförs torrhalterna mellan nya och tidigare indunstningen, ger detta följande resultat: 82 % ny TS 75 % tidigare TS 9 % ökning av TS Den teoretiska ökningen ger: 8

10,96 ny LHV 10,69 gammal LHV 2,5 % ökning av värmevärdet Höjning av TS-halten ger inte någon avgörande skillnad för brännlutens värmevärde. Om höjningen av torrhalten hade varit linjär med brännlutens värmevärde hade den enkla beräkningen blivit: TS höjningen värmevärde tidigare indunstningen = falskt värmevärde nya indunstningen [MJ/kgTS] 1,09 10,69 = 11,65 MJ/kgTS Ovan beräkning visar vilken stor skillnad de båda beräkningar gör. Hur kommer det sig då varför den linjära och felaktiga värmevärdet blir 11,65 MJ/kgTS och den riktiga är 10,96 MJ/kgTS? Detta beror främst på att vätet som finns bundet i brännluten ombildas till vatten, vilket kräver minst lika mycket energi som förångningen av vattnet som finns bundet kvar i brännluten. Löser man upp formeln för värmevärdet kan man se detta matematiskt: 13,70 0,81335 0,81417 1,38667 = 10,69 MJ/kgTS tidigare sodapannan 13,70 0,81335 0,53616 1,38667 = 10,96 MJ/kgTS nya sodapannan Andra delen av beräkningarna ovan innehåller: 2,4425 2 18 H bränsle och är egentligen en konstant ( 0,81335 MJ/kgTS) för både tidigare och nya sodapannan. Denna visar hur mycket energi det går att omvandla vätet som finns bundet i brännluten till vatten och koldioxid. Jämför man denna konstant med energiåtgången för vattnets avdunstning från väteavgången från samma formel: 1 ts 2,4425 vilket i ovan beräkning givetvis ger ts två olika resultat beroende hur tidigare eller ny indunstning. Den tidigare indunstningen hade en TS-halt på 75 % medan den nya indunstningen har 82 % TS brännlut. De båda resultaten blir 0,81417 tidigare sodapanna MJ/kgTS samt 0,53616 nya sodapannan MJ/ kgts. En snabb jämförelse mellan resultaten visar att energiåtgången är lika stor eller större (för nya sodapannan) att ombilda vätet från brännluten som att förånga vattnet. På samma sätt kan man också jämföra sista beräkningen i ovan formel 12,9 Ƞ red 78 32 S bränsle. Denna del av formeln påvisar hur mycket energi det går åt att reducera svavlet från natriumsulfat till natriumsulfid. Resultatet blir 1,38667 MJ/kgTS, även här likt en konstant. Energiåtgången för detta är betydligt högre än för förångningen av vattnet. 9

Summa samarium visar formeln för effektivt värmevärde att energiåtgången för vätets ombildning i brännluten till vatten/koldioxid samt reduktionen av natriumsulfat till sulfid är av betydande större grad än förångningen av vattnet. Därför utgör torrhalten en sådan liten del av brännlutens effektiva värmevärde. 3.4 EFFEKT TIDIGARE SODAPANNA & REFERENSPANNAN För att göra en rättvis beräkningsanalys på vad de olika TS-halterna ger i effekt har vi valt att sätta samma brännlutsflöde och verkningsgrad på gamla och nya sodapannan, därför döps nya sodapannan om till referenspannan. Tidigare sodapannan Referenspannan Nya Sodapannan Tillförd brännlut 2 400 ton TS/dygn 2 400 ton TS/dygn 4 000 ton/dygn Verkningsgrad 81 % 81 % 87 % LHV 10,69 MJ/kg TS 10,96 MJ/kg TS 10,96 MJ/kg TS Flöde brännlut ton omräknat till kg = kgts/dygn 2 400 1 000 = 2 400 000 kgts/dygn Flöde brännlut LVH = MJ brännlut/dygn 2 400 000 10,69 = 25656000 MJ brännlut/dygn tidigare sodapannan 2 400 000 10,96 = 26304000 MJ brännlut/dygn referenspanna Energi brännlut Effekt brännlut 25 656 000 24 3 600 = 297 MW tidigare sodapannan 26 304 000 24 3 600 = 304 MW referenspannan Effekt brännlut Verkningsgrad = Effekt 297 0,81 = 241 MW tidigare sodapannan 304 0,81 = 246 MW referenspannan 10

Beräkningen ovan förklarar att endast TS-ökningen av brännluten inte ger en betydande effektökning. 82 % ny TS 75 % tidigare TS 9 % ökning av TS 246 MW referenspannan 241 MW tidigare sodapannan 2,1 % effektökning 3.5 ÅNGFLÖDE TIDIGARE SODAPANNAN & REFERENSPANNAN På samma sätt som man kan jämföra vad torrhaltsökningen gör för skillnad i effekt för sodapannan, kan man också jämföra ångflödet. Följande värden har tagits fram och bestämts för att genomföra beräkningarna. Precis som tidigare, förutsätter det att både gammal och referenspanna har samma matarvatten- samt luftförvärmning. Matarvattenförvärmning Luftförvärmning Entalpi ånga (85 bar) Entalpi matarvatten 4 MW 21 MW 3 353 kj/kg 586,4 kj/kg Effekt sodapanna + MVförvärmning + Luftförv. = Total effekt sodapanna 241 + 4 + 21 = 265 MW tidigare sodapannan 246 + 4 + 21 = 270 MW referenspannan Effekt = Energi Tid 265 MW = 265 MJ s tidigare sodapannan 270 MW = 270 MJ s referenspannan Entalpi ånga [85 bar] Entalpi matarvatten = entalpiskillnad 3353 586,4 = 2 767 kj/kg = 2,767 MJ/kg Total energi sodapanna / entalpiskillnad = ångflöde 265 / 2,767 96 kg/s tidigare sodapannan 11

270 / 2,767 98 kg/s referenspannan Liksom tidigare beräkningar på effekt är skillnaden minimal avseende på ångflödet vid torrhalt på 75 % eller 82 %. 3.6 NYA SODAPANNAN Tidigare har vi bara bevisat vad enbart en TS-ökning gör i effekt och ångflöde. Följande beräkningar använder sig av de riktiga specifikationerna på nya sodapannan, och ej enbart TS-ökning. Tillförd brännlut per dygn 4 000 ton TS/dygn Verkningsgrad sodapanna 87 % Matarvattenförvärmning 15 MW Luftförvärmning 24 MW Flöde brännlut ton omräknat till kg = kgts/dygn 4 000 1 000 = 4 000 000 kgts/dygn Flöde brännlut LVH = MJ brännlut/dygn 4 000 000 10,96 = 43 840 000 MJ brännlut/dygn Energi brännlut Effekt brännlut 4 3840 000 24 3 600 = 507 MW Effekt brännlut Verkningsgrad = Effekt 507 0,87 = 441 MW Effekt sodapanna + MVförvärmning + Luftförv. = Total effekt sodapanna 441 + 15 + 24 = 480 MW 12

Total effekt sodapanna = Total energi sodapanna 480 MW = 480 MJ/s Entalpi ånga [85 bar] Entalpi matarvatten = entalpiskillnad 3 353 586,4 = 2 767 kj/kg = 2,767 MJ/kg Total energi sodapanna / entalpiskillnad = ångflöde 480 / 2,767 = 173 kg/s Ovan beräkningar visar att brännlutsflödet och verkningsgraden har störst inverkan på effekt samt ångflöde. 3.7 EKONOMI Projektet som genomförs på Södra Cell Värö styrs främst av ekonomiska aspekter. Dessa ekonomiska aspekter måste också belysas i form av ånga. De tekniska specifikationerna på tidigare och nya indunstningen är som följer: Tidigare Indunstningen Nya Indunstningen Avdunstat vatten 550 ton/h 900 ton/h Energiåtgång lågtrycksånga 420 MJ/ton 420 MJ/ton Energiåtgång mellantrycksånga 0 110 MJ/ton 1 Torrhalt brännlut 75 % 82 % Värdering lågtrycksånga 101 kr/mwh 101 kr/mwh Värdering mellantrycksånga 106 kr/mwh 106 kr/mwh 1 Nya indunstningen uppgraderas med en Superkoncentrator Flöde avdunstat vatten energiåtgång = energiförbrukning [MJ/h] 550 420 = 231 000 MJ/h tidigare industningen lågtryckånga [900 550] 110 = 38 500 MJ/h nya indunstningen mellantrycksånga 13

Enhetsomvandling från energi till effekt är matematiskt lättare att visa med enhetsekvation: MJ h 3 600s 3 600s = MJ h h 3 600s = MWh 231 000 3 600 64,2 MWh tidigare indunstningen lågtrycksånga 38 500 3 600 10,7 MWh nya indunstningen mellantryckånga Effekt värdering ånga = kostnad [kr/h] 64,2 101 = 6 484 kr/h tidigare indunstningen lågtryckånga 10,7 106 = 1 134 kr/h nya indunstningen mellantryckånga Kostnad lågtryckånga + kostnad mellantrycksånga = total kostnad nya indunstningen 6 484 + 1 134 = 7 618 kr/h nya indunstningen totalkostnad Till skillnad från kostnadsberäkningarna ovan för indunstningen, genererar sodapannan ånga, och detta bidrar istället till en inkomst för företaget. Följande siffror har redan beräknats fram tidigare i presentationen: Tidigare Sodapannan Referenspannan Nya Sodapannan Effekt 241 MW 246 MW 441 MW Värdering högtryckånga 156 kr/mwh 156 kr/mwh 156 kr/mwh Effekt värdering högtryckånga = inkomst [kr/h] 241 156 = 37 596 kr/h tidigare sodapannan 246 156 = 38 376 kr/h referenspannan 441 156 = 68 796 kr/h nya sodapannan Fortsättningsvis kan beräkningar göras för att jämföra vinsten eller förlusten med referenspannan och nya indunstningen. 14

Totalkostnad nya indunstningen tidigare indunstningen lågtrycksånga = kostnadsökning [kr/h] 7 618 6 484 = 1 134 kr/h kostnadsökning nya indunstningen Inkomst referenspannan inkomst tidigare sodapannan = inkomstökning [kr] 389376 37 596 = 780 kr/h inkomstökning referenspanna Inkomstökning referenspanna kostnadsökning indunstning = förtjänst [kr/h] 780 1 134 = 354 kr/h Summeras ovanstående beräkningar blir endast en teoretisk ökning av torrhalten en förlust, ur ett ekonomiskt perspektiv. På samma sätt kan kostnadskalkyl göras på den nya sodapannan: Inkomst nya sodapanna inkomst gamla sodapannan = inkomstökning [kr] 68 796 37 596 = 31 200 kr inkomstökning nya sodapanna Inkomstökning nya sodapannan kostnadsökning indunstning = förtjänst [kr/h] 31 200 1 134 = 30 066 kr/h Tidigare har redan den stora effektökningen samt ångflödet påvisats i och med brännlutskapaciteten och verkningsgraden höjs avsevärt med nya sodapannan. Detsamma gäller kostnadseffektiviteten. 3.8 BERÄKNINGAR FAKTISKT VÄRMEVÄRDE Beräkningar har gjorts endast på 100 % torr brännlut, vilket är sedvanlig praxis vid jämförelsebräkningar om och mellan olika sodapannor. I realiteten är detta egentligen felaktigt, då det ger högre värden på energi-, effekt- och ångproduktion än vad som är möjligt. Används de egentliga värdena för den fuktiga brännluten faktiskt värmevärde kommer helt andra svar fås. 15

Vid beräkning av det effektiva värmevärdet i fuktigt bränsle används följande formel: MJ/kg lut = LVH TS Detta ger i den tidigare fabriken: 10,69 0,75 = 8,0 MJ/kg faktiskt värmevärde Detta ger i den nya fabriken: 10,96 0,82 = 9,0 MJ/kg faktiskt värmevärde Vid beräkning av energivärde för faktiska värmevärden så tar man hänsyn till vätskemängden som finns i brännluten. Vätskemängden skiljer sig avsevärt mellan tidigare och nya indunstningen och det är här energiökningen påvisas. Först och främst är energivärdet framtaget i kg/ts och sedan multiplicerat med den torrhalt som brännluten innehåller för att få fram det faktiska värmevärdet som bränslet avger. 3.8.1 Konsekvens Faktiskt Värmevärde De nya beräkningarna för faktiskt värmevärde påvisar att: 82 % ny TS 75 % tidigare TS 9 % ökning av TS Den faktiska ökningen ger: 9,0 MJ/kg 8,0 = 12,5 % ökning av värmevärdet Ovan visar tydligt hur stor inverkan torrsubstanshöjningen faktiskt har på brännlutens värmevärde. Tvärtom mot tidigare beräkningar blir TS-höjningen från indunstningen en positiv effekt, eftersom värmevärdet ökar mer procentuellt sett än vad torrsubstanshöjningen gör. 3.8.2 Effekt Tidigare Sodapanna & Referenspanna Beräkningar görs igen men med de nya resultaten för faktiskt värmevärde. Tidigare sodapannan Referenspannan Tillförd brännlut 2 400 ton TS/dygn 2 400 ton TS/dygn Verkningsgrad 81 % 81 % LHV 8,0 MJ/kg TS 9,0 MJ/kg TS Flöde fuktig brännlut ton omräknat till kg = kgts/dygn 2 400 1 000 = 2 400 000 kgts/dygn 16

Flöde fuktig brännlut LVH = MJ fuktig brännlut/dygn 2 400 000 8,0 = 19 200 000 MJ brännlut/dygn tidigare sodapanna 2 400 000 9,0 = 21 000 000 MJ brännlut/dygn referenspanna Energi fuktig brännlut Effekt fuktig brännlut 19 200 000 24 3 600 = 222 MW tidigare sodapannan 21 000 000 24 3 600 = 250 MW referenspannan Effekt fuktig brännlut Verkningsgrad = Effekt faktiskt värmevärde 222 0,81 = 180 MW tidigare sodapannan 250 0,81 = 203 MW referenspannan Beräkningen nedan förklarar att endast TS-ökningen av brännluten faktiskt ger en betydande effektökning: 82 % ny TS 75 % tidigare TS 9 % ökning av TS 203 MW referenspannan 180 MW tidigare sodapannan = 12,8 % effektökning faktiskt värmevärde 3.8.3 Faktiskt ångflöde På samma sätt som man kan jämföra vad torrhaltsökningen för faktiskt värmevärde gör för skillnad i effekt för sodapannan, kan man också jämföra ångflödet. Liksom tidigare beräkningar på absolut torr brännlut, används samma specifikationer: Matarvattenförvärmning Luftförvärmning Entalpi ånga (85 bar) Entalpi matarvatten 4 MW 21 MW 3 353 kj/kg 586,4 kj/kg Effekt sodapanna + MVförvärmning + Luftförvärmning = Total effekt sodapanna faktiskt värmevärde 17

180 + 4 + 21 = 205 MW tidigare sodapannan 203 + 4 + 21 = 228 MW referenspannan Effekt = Energi Tid 205 MW = 205 MJ s tidigare sodapannan faktiskt värmevärde 228 MW = 228 MJ s referenspannan faktiskt värmevärde Entalpi ånga [85 bar] Entalpi matarvatten = entalpiskillnad 3353 586,4 = 2 767 kj/kg = 2,767 MJ/kg Total energi sodapanna / entalpiskillnad = ångflöde faktiskt värmevärde 205 / 2,767 74 kg/s tidigare sodapannan 228 / 2,767 82 kg/s referenspannan Föga överraskande att ångproduktionens skillnad blir mer påtaglig då det faktiska vatteninnehållet i brännluten vägs in i beräkningarna. 3.8.4 Faktisk Ekonomi Avslutningsvis görs några ytterligare beräkningar på hur avgörande ekonomin ändå blir på fuktig brännlut och faktiskt värmevärde. Beräkningarna om indunstningen tas inte upp igen, läsaren ombeds att se över beräkningarna från 3.8 EKONOMI. Tidigare Sodapannan Referenspannan Effekt 180 MW 203 MW Värdering högtryckånga 160 kr/mwh 160 kr/mwh Effekt värdering högtryckånga = inkomst faktiskt värmevärdet [kr/h] 180 156 = 28 080 kr/h tidigare sodapannan 203 156 = 31 668 kr/h referenspannan 18

Fortsättningsvis kan beräkningar göras för att jämföra vinsten eller förlusten med referenspannan och nya indunstningen. Inkomst referenspanna inkomst tidigare sodapanna = inkomstökning faktiskt värmevärde [kr] 31 668 28 080 = 3 588 kr/h inkomstökning referenspanna Inkomstökning referensp. kostnadsökning indunsning = förtjänst faktiskt värmevärde [kr/h] 3 588 1 134 = 2 454 kr/h faktiskt värmevärde Ekonomin i investeringen blir en helt annan då man väger in betydelsen av fukten i brännluten redan från start. 19

4.0 RESULTAT 4.1 BRÄNNLUTENS ENERGIINNEHÅLL TORRSUBSTANSHÖJNING Enligt beräkningar har det påvisats att brännlutens energiinnehåll före och efter torrsubstansökningen på brännluten blir enligt följande: 14 12 10,69 10,96 12,5 10 8 8 9 6 4 2 0 2,5 Teoretiskt Värmevärde MJ/kgTS Faktiskt Värmevärde MJ/kgTS Tidigare Indunstning 75 % TS Ny Indusntning 82 % TS Höjning Värmevärde i % 4.2 SODAPANNANS ÅNG- SAMT EFFEKTÖKNING TORRSUBSTANSHÖJNING På samma sätt som ovan, har beräkningar på sodapannans ångproduktion samt effektökning med bara avseende på före och efter brännlutens torrsubstansökning gett följande: 250 241 246 200 180 203 150 100 96 98 74 82 50 0 Teoretisk Effekt MW Teoretisk Ångproduktion kg/s Faktisk Effekt MW Faktisk Ångproduktion kg/s Tidigare Sodapanna 75 % TS Referenspanna 82 % TS 20

4.3 EKONOMI TORRSUBSTANSHÖJNING Tidigare kalkyler har visat vitt skilda avvikelser för ekonomin beroende på om beräkningarna använder sig av de teoretiska eller faktiska värmevärden: 3000 2500 2454 2000 1500 1000 500 0-500 Teoretisk Förtjänst kr/h Faktiskt Förtjänst kr/h -354 Ekonomi Torrsubstanshöjning 21

5.0 DISKUSSION & ANALYS 5.1 ANALYS VÄRMEVÄRDE BRÄNNLUT Beräkningar i projektet har visat att torrsubstanshöjningen på brännluten inte är linjär med ökningen på värmevärdet. Tidigare beräkningar har visat att torrsubstanshöjningen från indunstningen har ökat 9 %, men gett två helt olika svar beroende på teoretiskt och faktiskt värmevärde. Skillnaden mellan teoretiskt och faktiskt värmevärde är att den förstnämnda använder sig av hundra procent torr brännlut, medan den andra tar hänsyn till vatteninnehållet. Teoretiskt värmeinnehåll används främst till att jämföra energiinnehållet i olika bränslen, och därför tas ingen hänsyn till vatteninnehållet. Varför man använder sig av teoretisk värmevärdesberäkning, är för att man vill ta reda på den brännbara substansen. Den faktiska d.v.s. verkliga beräkningen tar hänsyn till värmevärdet i bränslets helhet. Diagrammet nedan visar skillnaden mellan teoretisk och faktiskt beräkning. 14 12 12,5 10 9 8 6 4 2 0 2,5 Teoretiskt Värmevärdeökning % Torrhaltsökning Indunstning % Bränsle Faktikst Värmevärdesökning % De teoretiska beräkningarna visade att då brännlut förbränns i sodapannan finns det tre olika förbränningsprocesser att förhålla sig till: Väteavgången till vatten (och koldioxid) Vattnets ångbildningsenergi (som avgivits från vätet) Svavlet i reduktionsprocessen (natriumsulfat till natriumsulfid) 22

Sammanfattningsvis kan man ordna energiåtgången för de tre olika processerna i följande stapeldiagram för teoretiskt värmevärde: 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,81417 0,81335 0,53616 0,81335 1,38667 1,38667 Energiavgång vatten MJ/Kg TS Energiavgång väte MJ/kg TS Energiavgång reduktion MJ/kg TS Brännlut 75 % TS Brännlut 82 % TS Stapeldiagrammet ovan visar att energiavgången för vatten är lägre för den högre torrhalten. Men oavsett vilken torrhalt på brännluten som erhålls, är energiavgången för vatten bara en del jämfört med energiavgången för väte och reduktion. 5.2 ANALYS ÅNG- SAMT EFFEKTÖKNING Värmevärdet för brännluten påverkar direkt hur mycket effekt och ånga som kan genereras i sodapannan. Tidigare beräkningar har visat att den teoretiska effektökningen bara blev 2,1 %. Varför den inte visar exakt samma resultat som värmevärdets ökning (2,5 %) beror främst på avrundning av de matematiska mellanberäkningarna, att reduktionsgrad av sodapannan samt mava- och luftförvärmning bara finns medräknat för effektberäkningar och inte värmevärdets beräkningar. På samma sätt som det teoretiska värmevärdet resulterar i en väldigt låg effektökning, blir den faktiska betydligt högre (12,8 %) då värmevärden som används för detta skiljer sig i mycket högre grad. Den riktigt stora ökningen av effekt och ångproduktion står den nya sodapannan för. Detta beror nästan endast på den stora volymökningen av eldstadsytan, utbyggnaden av pannkroppen och framförallt, den stora ökningen i lutflöde. 23

5.3 ANALYS EKONOMI Nya indunstningen använder sig av mellantrycksånga till en superkoncentrator, som i sin tur får upp torrhalten på brännluten till 82 %. De negativa intäkterna gäller endast för beräkningar av den teoretiska modellen. Tvärtom visar den faktiska, d.v.s. den verkliga beräkningsmodellen att intäkterna är positiva. Detta beror på att vatteninnehållet i brännluten kräver mycket energi för att förångas, och i de teoretiska beräkningarna har detta försummats i förmån för absolut torr brännlut. 5.4 REFLEKTIONER Det upplevdes väldigt svårt att visualisera genomförandet i projektets början. Projektet tog fart först efter att kontakt gjorts med fabrikens processingenjörer och därigenom samlat in fakta att laborera med. Laboreringen bestod i mängder av beräkningar och matematiska formler som vändes ut och in, fram och tillbaka. Många gånger var matematiska begrepp och regler till hjälp även från internet. Första, riktigt stora genombrottet var när vi tog fram, samt förstod oss på hur man räknade om det kalometriska värmevärdet till effektivt värmevärde. Att förstå värmevärdet i fuktig kontra torr brännlut var något som tog tid. Tankebanorna att begripa detta slog ofta in på fel spår, ibland till den mildra grad att vi fick be hjälpsamma ingenjörer att mer än en gång berätta hur det hela låg till. Omvandlingen mellan energi och effekt förbryllade oss ibland ofta och länge. Fastän det egentligen är lätt, gjorde vi det många gånger betydligt svårare än det är. Resultatmässigt blev vi väldigt förvånade, när det visade sig att en ökning av torrhalten inte påverkade värmevärdet nämnvärt. Först när vi fick detta resultat gick vi tillbaka längs alla uträkningar och analyserade dem noga, utan att finna några egentliga fel. Vi ifrågasatte våra uträkningar i ännu högre grad, då vi fick fram en negativ förtjänst sett ur ett perspektiv med endast torrsubstanshöjning i fokus. Detta berodde till största del av att vi hade fått tunnelseende för det teoretiska sättet att beräkna värmevärdet av bränslet, och försummade helt det faktiska beräkningarna. På ett personligt plan finner vi det något egendomligt att jämförelser pannor emellan sker med absolut torrt bränsle. Även om vi förstår fördelen med detta, blir alla efterföljande beräkningar missvisande med avseende på effekt och ångproduktion. Slutligen uppfattades projektet som intressant och givande för båda projektdeltagarna. Roligt var det också hur de båda projektdeltagarna upplevde hur de kompletterade varandra. Varav den ena har bakgrund från studier inom energi och förbränning, och den andra mer inom generell matematik och process. 24

6.0 SLUTSATS 6.1 SLUTSATS Torrhalen höjs på grund av ekonomisk anledning. Ökningen av torrhalten görs främst på grund av att få ner rökgasvolymerna till det framtida brännlutsflödet. Hade inte torrhalten höjts på brännluten, skulle en betydligt mer omfattande investering behövts göras på sodapannans anläggning. Slutsatsen av detta är att en övergripande eller rent av en ny sodapanna inte skulle vara ekonomiskt försvarbart, liksom tiden för ombyggnationen av pannan hade kostat betydligt mycket mer än att bara göra en utbyggnad av indunstningsanläggningen. 25

7.0 REFERENSER Processingenjörer från Södra Skogsägarnas Ekonomiska Förening Cell Värö https://sv.wikipedia.org/wiki/v%c3%a4rmev%c3%a4rde Värmevärde https://sv.wikipedia.org/wiki/effekt - Energi & Effekt https://sv.wikipedia.org/wiki/energi - Energi 26

8.0 BILAGOR 7.1 SAMMANSTÄLLNING UPPGIFTER Brännlut/dygn [tonts/dygn] LHV Teoretisk [MJ/kgTS] LHV Faktisk [MJ/kgTS] Tidigare Sodapanna Referenspanna Nya Sodapanna 2 400 2 400 4 000 10,69 10,96 10,96 8,0 9,0 9,0 TS Brännlut Teoretisk 75 82 82 [%] Verkningsgrad 81 81 87 [%] Effekt Teoretisk 241 246 441 [MW] Effekt Faktisk [MW] 180 203 1 Ångflöde Teoretisk 96 98 173 [kg/s] Ångflöde Faktisk 74 82 1 [kg/s] Inkomst 1 354 30 066 ånga Teoretisk [kr/h] Inkomst 1 2 454 1 ånga Faktisk [kr/h] 1 Beräkning på detta har inte gjorts då det inte är relevant för detta projekt 27