Energiförbrukning vid mjukpapperstillverkning En jämförelse mellan tre produktionskoncept samt utveckling av ett befintligt energiövervakningssystem Göran Lindquist Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)
Energy Consumption in Tissue Paper Manufacture A Comparison of three Different Concepts for Tissue Paper Production and Development of an Existing Energy Monitoring System Göran Lindquist
Sammanfattning Detta examensarbete är utfört på Mesto Paper Karlstad AB. Där en energistudie har utförts för jämförelse av tre olika produktionskoncept; NTT, DCT och TAD. Studien innehåller hela pappersprocessen, från massauppslagning till upprullning av papper. Jämförelsen är utförd genom att studera data från pilotkörningar. En pappersmaskin kan delas upp i fyra delar; formeringsparti, pressparti, torkparti och upprullning. Den mest energikrävande delen i en pappersmaskin är torkpartiet. För DCT- och NTT-koncepten sker torkning över en yankeecylinder där mättad ånga inne i cylindern kondenserar och överför värme till pappret. Samtidigt blåser varmluft från yankeekåpan på ovansidan av pappret. För TAD-konceptet pressas aldrig pappret. Det medför att mycket termisk torkning krävs. Torkningen sker över två genomblåsningscylindrar där varmluft blåser genom pappret. Energiförbrukningen på en pappersmaskin delas upp i tre huvudgrupper, elektricitet, gas och ånga. Energin presenteras vanligtvis i kilowattimmar per producerat ton papper, kwh/t. Data samlades in under tre körningar med de olika konceptens konfiguration på Metsos pilotmaskin. Maskinens loggdata användes för energijämförelsen, loggningen läser av ett momentanvärde för viktiga parametrar när produkten produceras. Körningarna var inte avsedda för energimätning utan samordnades med pilotkörningar med annat syfte. Resultatet vid jämförelsen mellan NTT/DCT är 3510 kwh/t för NTT och 3710 kwh/t för DCT. För NTT/TAD jämförelsen; 2990 kwh/t för NTT och 3970 kwh/t för TAD. Körningarna gav inte tillräcklig data för en rak jämförelse mellan de tre koncepten. Istället jämfördes NTT med DCT och NTT med TAD vid så lika ytvikt och maskinhastighet som möjligt. För en förbättrad jämförelse krävs att flera parametrar är lika; samma ytvikt på pappret, maskinhastighet och torrhalt på slutprodukten samt tid för optimering av processen. Slutsatsen är att NTT är en mer energieffektiv process än DCT. För NTT/TAD jämförelsen är slutsatsen beroende av hur energiförbrukningen presenteras. Vid energiberäkning per ton papper är NTT effektivare. Vid beräkning per kubikmeter papper är koncepten relativt lika. För att förbättra energiövervakningen på pilotmaskinen har det befintliga övervakningssystemet vidareutvecklats. Därefter utvecklades ett förslag på ett nytt övervakningssystem för energiförbrukningen på fullskaliga pappersmaskiner. i
Abstract This thesis is performed at Mesto Paper Karlstad AB. Where an energy study have been conducted to compare three different tissue production concepts; NTT, DCT and TAD. The study contains the entire paper process, from pulp lookup for retracting the paper. The comparison is done by studying data from the pilot machine runs. A paper machine can be broadly divided into four parts; wet end, press section, drying and dry end. The most energy-consuming process on a paper machine is the drying section. For DCT and NTT-concepts are drying managed on a yankee cylinder in which saturated steam inside the cylinder condenses and transfers heat to the paper. At the same time hot air is blowing on top of the paper from the yankee hood. A TAD concept never presses the paper. This requires much thermal drying. The drying process takes place over two Trough-Air-Drying cylinders where hot air is blowing through the paper. The energy consumption of a paper machine is divided into three main groups, electricity, gas and steam. Energy consumption are presented usually in kilowatt hours per ton of produce paper, kwh/t. Data were collected during three separate pilot runs, with the three different configuration, on Metso Papers pilot machine. The machines log data were used for the energy comparison. The machine log reads a moment value for the most important values. The runs were not design for a energy comparison, instead it was coordinated with pilot runs of different purpose. The energy consumption is for NTT/DCT: 3510 kwh/t for NTT and 3710 kwh/t for DCT. For the NTT/TAD comparison; 2990 kwh/t for NTT and 3970 kwh/t for TAD. The pilot run did not give enough data for a straight comparison between the three concepts. Instead two comparisons were made, one between DCT vs. NTT and one TAD vs. NTT. The comparison is made with the most equal product and machine speed as possible. For a good comparison it is required that several parameters are equal, the basis weight of paper, machine speed, dryness at reel, and that it is given time to optimize the drying process. The conclusion is that the comparison shows that NTT is a more energy efficient process than DCT. For the NTT/TAD the conclusion is depended on how the energy consumption is presented. For the energy calculation per ton produce paper show that NTT re more energy efficient. Calculation per volume show a relative equal energy consumption. To improve energy monitoring on the pilot machine, the existing monitoring system has been developed. Then a proposal for a new energy monitoring system was created for fullscale paper machines. ii
Förord Det här examensarbetet omfattar 30 hp och är en obligatorisk del i civilingenjörsprogrammet i energiteknik på Umeå Universitet. Arbetet är utfört på Metso Paper Karlstad AB. Jag vill tacka mina handledare på Metso Ingvar Klerelid och Maria Jepson, samt universitetshandledaren Robert Eklund på institutionen för tillämpad fysik och elektronik. Jag vill tacka Ola Thomasson och Mats Tufvesson för eran entusiasm och intresse i mitt arbete. Jag riktar även ett tack till samtliga maskinoperatörer, labbpersonalen Anders Hellström och Carina Törngren och till alla som har hjälp mig och bidragit med sin kunskap. Tack till Sören Elg och Lars-Åke Andersson för att de stått ut med mig. Tack även till personerna som är tyckare och experter för utvecklingen av det nya energiövervakningssystemet. Jag har lärt mig mycket under denna tid. Framförallt att anpassa ett arbete till förutsättningar som ändras och som inte kan påverkas. Karlstad, mars 2010 Göran Lindquist iii
Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Abstract... 2 Förord... 3 1 Inledning... 1 1.1 Syfte... 1 1.2 Bakgrund... 1 1.3 Förutsättningar... 2 1.4 Mål... 2 2 Produktbeskrivning... 2 2.1 Råvara... 2 2.2 Kvalitetsparametrar... 3 2.2.1 Absorptionsförmåga... 4 2.2.2 Styrka & töjbarhet... 4 2.2.3 Ytvikt... 4 2.2.4 Bulk... 5 2.2.5 Mjukhet & Lenhet... 5 3 Processbeskrivning... 5 3.1 Formeringsparti... 5 3.1.1 S-formering... 6 3.1.2 C-formering... 7 3.1.3 Crescent-formering... 7 3.1.4 Mäldsprutan... 8 3.1.5 Energi... 8 3.2 Pressparti... 8 3.3 Torkparti... 10 3.3.1 Yankeecylindern... 10 3.3.2 Yankeekåpan... 13 3.3.3 Värmevärde... 15 3.4 Rullning/Efterbehandling... 16 3.4.1 Kräppning... 16 3.5 Rullning... 17 iv
3.6 Kringutrustning... 17 3.6.1 Vatten & massa... 17 3.6.2 Vakuum... 18 4 Torkningsteori... 18 4.1 Ånga... 19 4.2 Gas... 21 4.3 Papprets torkning... 25 5 Maskinkoncepten... 28 5.1 DCT... 28 5.1.1 Produkt... 28 5.1.2 Maskin... 28 5.2 TAD... 29 5.2.1 Produkt... 29 5.2.2 Maskin... 29 5.3 NTT... 32 5.3.1 Produkt... 33 5.3.2 Maskin... 33 6 Metod... 34 6.1 Pilotmaskinen... 34 6.2 Energiövervakningssystem... 35 6.2.1 Massa- & vattensystem... 35 6.2.2 Ång- & kondensatsystemet... 36 6.2.3 Varmluftsystemet... 36 6.2.4 Drifter... 37 6.3 Datainsamling... 38 6.4 Funktionella parametrar... 38 7 Mätvärdesbehandling/Analys... 39 7.1 Specifik energi... 39 7.2 Beräkning av kondensatflödet... 40 7.3 Approximation av massainnehållet i maskinkaret... 41 7.4 Beräkning av massainnehållet i inloppslådan... 43 7.5 Venturimeter beräkning... 45 7.6 Relativa gavelförluster... 46 v
7.7 Standardavvikelse... 47 8 Resultat... 48 9 Diskussion... 48 9.1 Resultatdiskussion... 48 9.1.1 Skillnaden mellan körningarna... 50 9.2 Mätdatas brister... 51 9.2.1 Ångflöde... 52 9.2.2 Gasflöde... 53 9.3 Pilotmaskinen vs. fullskalig maskin... 54 9.4 Luftsystemets massbalans... 57 9.4.1 Yankeekåpan... 58 9.4.2 Genomblåsningscylinder... 59 9.5 Blandningspumparnas arbete... 60 9.6 Energieffektiviseringar... 63 9.6.1 Värmeväxling av frånluft i kåpan... 64 9.6.2 Isolerad yankeegavel... 64 9.6.3 Varvtalsreglerade vakuumpumpar... 65 9.7 Resultat jämfört med teorin... 65 9.8 Brister i energiövervakningssystemet... 68 10 Slutsats... 68 11 Rekommendation... 69 11.1 Förslag till nytt energimätsystem... 69 11.1.1 Funktioner... 70 11.1.2 Grafiskt gränssnitt... 70 11.1.3 Sidpresentation... 71 11.1.4 Utförande... 82 11.1.5 Vidareutveckling... 83 12 Referenser... 84 12.1 Externt material... 84 12.2 Internet... 84 12.3 Internt material... 85 12.4 Intervjuer... 85 13 Figurförteckning... 86 vi
Appendix A... 1 Appendix B... 6 Appendix C... 50 Appendix D... 53 Appendix E... 58 Appendix F... 61 vii
1 Inledning 1.1 Syfte Jämförelse av energiförbrukningen för tre olika produktionskoncept för tillverkning av mjukpapper (tissue), samt utveckling av ett energiövervakningssystem. 1.2 Bakgrund Metso Paper Karlstad AB producerar pappersmaskiner för tissuetillverkning. Idag finns tre olika produktionskoncept för tissue: DCT, TAD och NTT. Det som huvudsakligen skiljer de tre koncepten åt är press- och torkprocessen: DCT: Konventionell pressning mot yankeecylinder med konventionell filt och torkning på yankeecylinder. TAD: Genomblåsningstorkning. Avvattning med vakuum och därefter genomblåsningstorkning. Vid hög torrhalt sker transferering av banan till yankeecylindern och därefter sluttorkning (ingen pressning). Transferering och marginell torkning på yankeecylinder (ingen pressning). NTT: Förpressning med ett bälte mot en skopress. Transferering och torkning på yankeecylinder. Det skiljs mellan icke-strukturerad och strukturerad NTT. Ur energisynpunkt är det av stor betydelse hur mycket vatten som pressats bort före torkning. Avvattning genom pressning är mindre energikrävande än att torka bort vatten. För en DCT-enpressmaskin är papprets torrhalt innan termisk torkning på yankeecylindern normalt 39 40 %. I TAD-processen är torrhalten normalt 27 28 % före termisk torkning på den första TAD-cylindern. I NTT-konceptet är torrhalten normalt 45 47 % innan termisk torkning på yankeecylindern. Tissueprodukterna från de tre koncepten skiljer sig åt i flera avseenden; energi- och fiberförbrukning (papperstjocklek), absorptionsförmåga och vissa andra pappersegenskaper. NTT är ett nytt koncept. Kvalitetsmässigt är papper från icke-strukturerad NTT jämförbart med DCT, medan papper från strukturerad NTT nästan är jämförbart med TAD. Eftersom papper från de olika produktionskoncepten har olika absorptionsförmåga, är det inte tillräckligt att jämföra energiförbrukningen per ton producerat papper. Det blir också aktuellt att jämföra tillverkningskonceptens energiförbrukning relaterat till den mängd vatten pappret absorberar. Även energiförbrukningen per yta och volym är intressanta jämförelser. 1(87)
1.3 Förutsättningar Metso Paper Karlstad AB har en pilotmaskin för forskning och utveckling inom tissuetillverkning. Pilotmaskinen är betydligt smalare än en fullskalig pappersmaskin. Pilotanläggningen kan byggas om och konfigureras enligt de olika koncepten. Pilotförsök kommer att köras med NTT-, TAD- och DCT-konceptet. Pilotmaskinen är utrustad med ett energimätsystem som möjliggör energimätning under pilotkörningar. NTT-konceptet är lanserat på marknaden, men ingen fullskalig maskin har installerats ännu. Därför finns det inga data från kommersionella bruk. Därför används data från pilotmaskinen för energijämförelse. 1.4 Mål Att utifrån olika förutsättningar belysa skillnaden mellan de tre produktionskoncepten ur energisynpunkt. Studien omfattar hela papperslinjen från massauppslagning till upprullning på rullstol. Utveckla och undersöka befintligt energiövervakningssystem. 2 Produktbeskrivning Det som utmärker mjukpapper är dess luftighet, mjukhet samt förmåga att suga upp vätska. Konsumenternas viktigaste krav på mjukpapper är (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999): 1. Papperets absorption (att pappret snabbt suger upp vätska) 2. Papprets absorptionskapacitet (att pappret kan suga upp mycket vätska) 3. Pappret ska vara lent och mjukt 4. Pappret ska inte ludda Styrkan på pappret är viktig för mjukheten, lägre styrka högre mjukhet. Dock måste styrkan vara tillräcklig för att kunna framställa färdiga produkter så som toarullar, hushållsrullar och näsdukar i konverteringsmaskinerna. 2.1 Råvara Papprets kvalité beror till stor grad av råvaran och utifrån kraven för slutprodukten används olika typ av råvara. Råvaran är pappersmassa som består främst av kemisk massa, det vill säga ren cellulosa. Mekanisk massa är ovanlig, men förekommer i returfiber från tidningsoch journalpapper. Kemisk massa ger ett papper med bättre kvalité medan mekanisk massa är billigare. Massan är antingen från barrträd eller från lövträd. De engelska fackorden för barrmassa respektive lövmassa är softwood och hardwood. Softwood är långfibrig massa medan hardwood är kortfibrig massa. Vid produktionen av papper ger softwood ett starkare papper och hardwood ett mjukare papper. Skillnaden på mikroskopisk skala är att softwoods pappersfibrer är längre än hardwood. Softwood växer till största del på norra halvklotet och framställs främst av tall medan hardwood framställs av 2(87)
eukalyptus som kommer från varmare länder så som Brasilien. I Skandinavien framställs hardwood från björk (mamashealth.com). Produkter av hög kvalité, t.ex. pappersnäsdukar, använder sig oftast av en blandning av blekt kemisk massa av softwood och hardwood. För produkter med låga krav på kvalité använder industrin mestadels returfiber och returfiber baserat på tidning- och journalpapper. Andelen returfiber för tissue är ca 35 %. Nyinstallerad tissuekapacitet är oftast baserad på färskfiber, det vill säga kemisk massa. Returfiber finns i olika kvaliteter och den bästa massan är baserad på kontorsavfall så som kopieringspapper. På returfiber ställs stora krav på att otillåtna ämnen och material rensas bort. I mjukpapperstillverkningen är det vanligt att lägga fiber i olika skikt och i de flesta applikationerna är det enbart kemisk massa från hardwood och softwood som används. Det yttersta skicket i den färdiga produkten (toalettpapper och näsdukar) är oftast ett skikt med hardwood fiber, eftersom dessa ger den bästa mjukheten. Hardwoodskiktet placeras mot yankeecylindern och eftersom papperet kräppas på denna sida får produkten då en högre mjukhet. För hushållspapper används nästan enbart softwood och anledningen är att erhålla tillräcklig styrka. Pappersmassa kan komma till pappersmaskinen i olika form, dels som en flytande blandning av vatten och pappersmassa direkt från massatillverkning eller balad massa som löses upp i vatten i en massaupplösare. 2.2 Kvalitetsparametrar Slutproduktens, papprets, kvalité mäts i flera parametrar. Utifrån vilket slutprodukt maskinen ska produceras är vissa parametrar viktigare än andra. Det finns olika typer av mjukpapper och för dem har kvalitetsparametrarna olika stor betydelse. De vanligaste mjukpapperstyperna är toapapper, hushållspapper, servetter, näsdukar samt handdukar. Viktigaste parametrar för de olika produkterna är (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999): Toapapper - Lenhet, mjukhet, bulk och torrstyrka Hushållspapper - Vattenabsorption, bulk, våt- och torrstyrka Servetter - Färgäkthet, siktsammanhållning Näsdukar Skiktsammanhållning, vattenabsorption, våtstyrka, lenhet och mjukhet. Handdukar Vattenabsorption och våtstyrka. Vissa av dessa parametrar styrs framförallt i konverteringen efter pappersmaskinen så som skiktsammanhållningen. 3(87)
2.2.1 Absorptionsförmåga För alla mjukpappersprodukter är absorptionsförmågan viktig men framförallt för hushållspapper, hand- och näsdukar. Absorptionsförmåga mäts både i absorptionskapaciteten och hastigheten. Absorptionsförmågan hos pappret beror på flera faktorer i produktionen. Pappersmassa med stor del hydrofila ( vattenvänliga ) ämnen så som lignin och cellulosa bidrar till att pappersfibrerna har god sugförmåga. Råvara med stort innehåll av dessa hydrofila ämnen är därmed viktig för god absorption. Om pappret ska ha bra absorption krävs även en viss våtstyrka så att inte pappret kollapsar när det blir vått. Detta görs genom att papprets produceras med en relativt stark ryggrad. Det som främst bidrar till en bra absorptionskapacitet är hur mycket hålrum pappret innehåller. Praktiskt taget allt vatten i pappret transporteras i mellanrummen mellan fibrerna. Därmed är papprets luftighet, bulk, en viktig parameter för absorptionen. Den finns flera metoder att mäta absorptionen hos pappret. I en metod sänks 5,0(2) g papper ner i destillerat vatten. Pappret ligger på botten i 30 s för att sedan hängas upp i 1 min. Absorptionskapaciteten mäts som kvoten mellan bibehållet vatten och papprets vikt (European Committee for Standardization, 2001). 2.2.2 Styrka & töjbarhet Papprets styrka är viktig för papprets konverterbarhet, framförallt papprets torrstyrka. För hushållspapper och torkpapper mäts våtstyrka. Papprets styrka och töjbarhet mäts genom att en maskin drar i pappret tills det uppstår ett brott. Maskinen mäter kraften den utsätter pappret för vid brottet samt hur uttöjt pappret är vid brottsögonblicket. Styrkan mäts i både längsriktningen, MD Machine Direction, och tvärriktningen, CD Cross Direction. Vanligt presenteras styrkan i pappret genom en kvot mellan de två, MD/CD-kvot. Styrkan, och töjbarheten kan styras på flera sätt. Ett sätt att styra dessa parametrar är att öka eller minska kräppningen. En ökad kräppningsgrad ökar töjbarheten men minskar styrkan. 2.2.3 Ytvikt Papprets ytvikt är ett mått papprets vikt per kvadratmeter och varierar beroende på användningsområde, från runt 15 till 40 g/m². Papper från en pappersmaskin sätts vanligtvis ihop till 2-, 3-, eller 4-skiktsprodukter. Pappers ytvikt är en viktig parameter som styr pappersmaskinens hastighet. Det beror på att ju tyngre papper desto mer vatten ska förångas och längre tid krävs till torkningen. Ytvikten mäts genom att 100 cm² papper vägs, det ger papprets ytvikt i mg/100 cm² vilket är ekvivalent med (1/10) g/m². Pappret skärs vanligtvis ut av precisa maskiner som säkerställer en bra mätsäkerhet (European Committee for Standardization, 2001). 4(87)
Papprets ytvikt påverkar många kvalitetsparametrar. Ett tyngre papper betyder mer massa vilket leder till mer fibrer som kan suga åt sig vatten. Ett tyngre papper är oftast starkare. 2.2.4 Bulk Hög bulk är samma sak som låg densitet. Papprets bulk är viktigt för flera egenskaper, så som mjukhet och absorption. Bulkens värde är det inverterade värdet av densiteten. Densiteten beräknas genom att ytvikten [g/m²] divideras med tjockleken [µm] samt multiplicerar med 1000. Tjockleken mäts av en automatisk mikrometer som utsätter pappret för ett bestämt tryck, runt 2 kpa (European Committee for Standardization, 2001). Bulken/densiteten styrs främst av hur mycket pappret pressas samt kräppningen och finjustering som görs i glättningen. 2.2.5 Mjukhet & Lenhet Detta är subjektiva egenskaper, det vill säga inte en materialegenskap utan ett resultat av kontakten mellan pappret och användaren. Resultat kan ofta förutses genom att mäta någon fysikalisk egenskap. Det tydligaste exemplet på det är sambandet mellan mjukhet och styvhet. Genom att mäta böjstyvheten och dragstyvheten kan mjukheten hos pappret förutspås. Dragstyvheten bestäms av att analysera ett dragspännings/töjnings-diagram, där lutningen i origo är ett mått på dragstyvhet och därmed också mjukheten (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Böjstyvheten bestäms av en standardiserad metod som går ut på att en trekantig pappersremsa skjuts fram över ett bord med sned kantytan. Längden från bordets kant till där spetsen på pappret rör den sneda kantytan är ett mått på böjstyvheten (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Lenhet är svårt att mäta. Lenhet optimeras genom bland annat en fin kräppning och genom att använda flexibla fibrer. Flexibla fibrer beror på vilket råvara som används till massan samt kvalitén på den. 3 Processbeskrivning En pappersmaskin kan grovt delas upp i fyra delar. Formeringsparti, pressparti, torkparti och upprullningen. 3.1 Formeringsparti Första steget i formeringspartiet är inloppslådan (eller mäldsprutan) som sprutar ut mälden på en vira i formeringsenheten. Mäldens vatteninnehåll vid inloppslådan är ungefär 99,5%. 5(87)
Efter formning ska pappersbanan överföras till filten som transporterar pappersbanan genom press- och torkpartiet. Formeringsenhetens huvudmål är att avvattna mälden och fördela fibrerna så lätt som möjligt för att skapa ett sammanhängande ark. Hur jämn och fin fördelningen är av fibrer är ett mått på formationen. Avvattningen sker genom att ett dränagetryck bildas mellan formeringsviran och den beklädnad som omsluter formeringsvalsen. Dränagetrycket bestäms av viraspänningen T och formeringsvalsens radie R. Dränagetrycket P är kvoten T/R. Det vatten som avvattnas kallas bakvatten och går tillbaka till korta cirkulationen. Bakvattnet blandas med ny massa som kontinuerligt tillförs på sugsidan av blandningspumparna. Blandningspumparna skickar mälden till inloppslådan igen. Det finns olika typer av formeringsenheter, vanligaste idag är de på dubbelviramaskiner. Dessa maskiner har, vilket namnet säger, två viror vid formeringen. Det finns olika typer av formeringsenheter för dubbelviramaskinerna. Gemensamt för dessa är att mälden sprutas in mellan två formeringsviror, ytter- och innerformeringsviran. Virorna omsluter formeringsvalsen. En av virorna transporterar pappersbanan vidare i systemet, vanligtvis är nästa steg i systemet att pappersbanan förs över till en filt. Den andra formeringsviran används enbart vid sammanpressningen och formeringen av mälden. Det som skiljer de olika formeringsenheterna är bland annat placeringen av inloppslådan 3.1.1 S-formering I denna formeringsenhet möts formeringsvirorna i ett snett nedåtriktat nyp. Mäldstrålen sprutas in i samma vinkel och träffar yttre formeringsviran strax efter bröstvalsen. Detta gör att avvattningen sker främst neråt samtidigt som virorna löper uppåt över formeringsvalsen. Det medför att bakvattnet lätt kan fångas med hjälp av ett antal ledskenor. Brytvals Formeringsvals Innervira Mäldspruta Yttervira Bröstvals Figur 3.1-1: Skiss på en s-formeringsenhet, där tjock linje följer pappersmassan. Efter formeringsvalsen går banan till en brytvals där virorna separerar och banan stannar med den yttre formeringsviran. Vid denna punkt har pappersbanan en torrhalt på 10 % (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Pappersbanan förs senare över till filten. 6(87)
3.1.2 C-formering I en C-formeringsenhet sprutas mälden in i en uppåtriktad lutning och mälden träffar ytterviran strax före nypet mellan formerings- och bröstvalsen. Avvattningen sker genom ytterviran och bakvattnet fångas upp och länkas med hjälp av ett antal ledskenor. Pappret har efter formeringen en torrhalt på 8-10 % (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Brytvals Filt Formeringsvals Innervira Mäldspruta Bröstvals Yttervira Figur 3.1-2: Skiss på en c-formeringsenhet, där tjock linje följer pappersmassan. Pappersbanan skiljs från ytterviran och transporteras med innerviran. Till skillnad från en maskin med S-formering är innerviran en transportvira. Det gör att virorna kan ha olika egenskaper. Formeringsviran har bättre avvattningsförmåga och transportviran högre stabilitet. Transportviran överför senare pappersbanan till filten. En annan fördel är att inloppslådan kan placeras på golvnivå vilket underlättar service. De flesta c-former har en solid formeringsvals men det kan vara en öppen formeringsvals och det är normalt en sugvals. Detta ger ökad dräneringskapacitet vilket är viktigt för produkter med hög ytvikt. 3.1.3 Crescent-formering Idag används framförallt en Crescent-formare som fungerar så att mälden sprutas horisontellt in mellan en formeringsvira och en filt. Filten är alltså dragen ända till formeringsenheten. Filten transporterar pappersbanan direkt till presspartiet vilket medför en kortare maskin. Filten är vid formeringen innerviran och genom en filt kan inget vatten passera. Detta medför att formeringsvalsen kan vara solid. Mäldspruta Filt Bröstvals Formeringsvals Brytvals Yttervira Figur 3.1-3: Skiss på en crescent-formeringsenhet, där tjock linje följer pappersmassan. 7(87)
3.1.4 Mäldsprutan Mäldsprutan sprutar in mäld mellan virorna i olika sikt. Detta medför att man kan spruta in olika typer av massa i olika sikt. Det är viktigt så man kan styra vilken typ av massa som är ytterst. Exempel på detta är när kemisk massa av hardwood och softwood fördelas olika i skikten. Då vill man använda en bestämd del av vardera. När dessa två massor kombineras, så läggs hardwood som utsida i den färdiga produkten så att konsumenten upplever ett mjukare papper. Det är ett exempel på tvåskiktsinsprutning. Treskiktsinsprutning största fördel mot tvåskikts är att det mittersta skiktet kan vara av returfiber. 3.1.5 Energi Andel pappersmassa i mälden vid inloppslådan, kan skilja sig mellan 0,1-0,2 %, påverkar i stor del pumparbetet. Största elektricitet behov har yankee- och pressdriften samt blandningspumpen till inloppslådan. Blandningspumparna, 1-3 stycken, ska pumpa vatten och massa upp till inloppslådan. Där är massainnehållet i mälden ungefär 0,5 % jämför med vid upprullningen där den är 95 % och produktionen 200 ton/dag. Det medför stor driftkostnad på blandningspumparna. Det är viktigt att optimera massainnehållet framförallt när blandningspumpens arbete ökar exponentiellt med hastigheten på maskinen. Blandningspumparna på pappersmaskiner är i de flesta fall varvtalsstyrda. 3.2 Pressparti Konventionella mjukpappersmaskiner har en eller två pressvalsar, som pressar pappret mot yankeecylindern. Eftersom yankeecylindern är varm sker en varmpressning. Med endast en press erhålls ett bulkigare papper men kräver mer energi vid den termiska torkningen. Generellt sett kan man säga att om man genom pressning ökar torrhalten med 1 % minskas energin vid den termiska torkningen med upp till 3,5 % (Metso Paper Karlstad Learning Center, 2008). De senaste 15 åren har det varit vanligt med en pressvals för att energikostnaden har varit låg (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). I och med att kraven och priset på energiförbrukning ökar, ökar också efterfrågan av två pressvalsar i presspartiet. Varmpressarnas uppgift är att värma, avvattna och överföra pappret till yankeeytan. Överförningen till yankee sker med hjälp av kemikalier som före pressningen sprutas på yankeecylinderns yta. 8(87)
Yankeekåpa Yankeecylinder 2:a varmpress Pappersbana+Filt 1:a varmpress Kräppning Figur 3.2-1: Skiss på yankeecylindern med kåpan med två varmpressar. Tjocka linjen följer pappersbanan. Den första pressvalsen är nästa alltid en sugvals, som normalt har en sugzon på 160. En sugvals har ett undertryck i valsen som suger vatten ur pappret. Nyptrycket (linjebelastningen) i pressnypet ska vara så högt som möjligt för den största möjliga avvattning. Det som sätter gräns för nyptrycket är påfrestningar i gummimanteln och påkänningar på yankeemanteln. Vid det första pressnypet sker en hastig temperaturökning i pappret som gör att vattnets viskositet minskar vilket medför en lättare avvattning av pappret tack vare vattnets mindre friktionsmotstånd. Denna temperaturökning kan underlättas genom att placera en ånglåda över eller före första pressvalsen. Ångtrycket vid denna process är relativt lågt så lågtrycksånga från processen kan användas. Vid första pressvalsen förs pappret över till torkcylindern (yankeecylindern), detta sker genom ytspänningskraften i vattenfilmen mellan cylinder och bana (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Vid avtagandet till yankeecylinder är vattenhalten på pappret viktig. En allt för hög vattenhalt medför risk för att banan krossas i varmpressen medans ett för lågt värde ger risk för att filten sätter igen sig eller banan lossnar. För att underlätta klistring och avtagning av pappersbanan sprutas det före presspartiet på en kemiskbeläggning, så kallad coating, som har tre uppgifter. Underlätta adhesion och avtagning samt skydda cylinderytan mot slitage i samband med kräppningen. Den andra pressvalsen ökar papprets torrhalt med bara 1-2 % men den ger en bättre utjämnad torrhaltsprofil, vilket i bästa fall kan öka produktionen med 15 % (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Två pressvalsar ökar pappersmaskinens driftsäkerhet och papprets sträckbarhet samt minskar torkbehovet. Nackdelar med två pressvalsar är att pappret får lägre bulk och mer strävhet samt så ökar investeringskostnaden. 9(87)
Före pressarna är papprets torrhalt normalt sett 12 % och efter pressarna är den mellan 27-47 %. Torrhalten efter pressvalsarna är direkt avgörande för energiförbrukningen i torkpartiet. Torrhalten påverkar också produktionen. Det finns en teoretisk maximal gräns för hur mycket vatten som kan pressas bort. Den är runt 55 % och begränsas av att vattnet i pappret är bundet i dess fibrer vilket omöjliggör bortpressning av vattnet. Ju högre torrhalten är desto mer energi krävs det för att genom pressning öka torrhalten. Det gör att det finns en optimal torrhalt efter pressning (runt 50-55 %). Detta har gjort att det är idag vanligt att ersätta de två pressvalsarna med en skopress med separat suglåda. Ett alternativ är att ersätta den första pressvalsen med en skopress och behålla den andra. En skopress består av en sko på insidan som pressas hydrauliskt mot manteln. Detta ökar nyplängden som medför bland annat lägre specifikt nyptryck och jämnare gång. Vilket ökar den möjliga torrhalten. 3.3 Torkparti På mjukpappersmaskiner torkas pappret termiskt när det passerar en enda stor cylinder, så kallad yankeecylinder. Yankeens uppgifter är att transportera pappret under torkprocessen, vara en av valsarna i pressningen, leverera energi till torkningen och vara basyta för kräppningen. Termisk torkning av pappret sker på två sätt dels genom yankeecylinderns mantel och dels genom att varmluft blåses på pappret från ovansidan. Av energin som krävs vid termiska torkningen kommer ungefär 40 % från yankeecylindern och resten, 60 %, från yankeekåpan. 3.3.1 Yankeecylindern Yankeens torkningskapacitet påverkas av hur stor cylindern är. På de största maskinerna har yankeen diameter upp till 5,5 meter. Torkningskapaciteten bestäms också av temperaturen, ju högre temperatur desto högre torkningskapacitet men det kräver även ett högre ångtryck. Detta beror på att torkningen sker genom att mättad ånga kondenseras på cylindermantelns insida som överför värme till pappret. Det sker en viss värmeförlust i övergången från insidan av cylindermanteln till pappret. Förlusten minimeras genom att optimera mantelns tjocklek samt vilket material det tillverkas i. Denna optimering begränsas av belastningar som yankeen måste klara av. Belastningarna är främst: ångtrycket, temperaturen, cylinderdimensionerna samt trycket från pressvalsarna. Alltså, ett högre ångtryck leder till högre belastning vilket ökar tjockleken på manteln, som i sin tur ökar värmeförlusten. Därför finns det för varje cylinder ett optimalt ångtryck. Maximalt ångtryck i yankeecylindern är runt 8 bar. I värmetransporten sker ungefär 2/3 av förlusterna i manteln och 1/3 i övergången från ånga till mantel (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Den som bidrar mest till 10(87)
värmeövergångsmotståndet från ånga till mantel är en kondensatfilm som bildas på mantelns insida. Denna förlustfaktor ökar med hastigheten på yankeen. Ett effektivt sätt att motverka denna förlust är att störa kondensatfilmen så den blir turbulent. Detta görs effektivt med axiella lister på mantelns insida som hindrar filmens flöde. Dessa lister kallas för termolister. Ett annat sätt att minska värmemotståndet på insidan är att göra spår i manteln i rotationsriktningen. Den räfflade insidan har många fördelar. Åsarna ger en ökad styvhet i mantel som medför att tjockleken från spårens botten till mantelns utsida är mindre än tjockleken på manteln vid en slät insida, vilket ger minskade överföringsförluster. Dessutom finns ingen kondensatfilm på spårens vertikala sidor, de får då ett mycket lågt värmemotstånd. Det som begränsar spårens djup är dels att det blir svårt att tillverka manteln homogent och dels att djupa spår gör att dragspänningen ökar på grund av allt för hög temperatur i åsarna. Även i räfflade mantlar ökas värmeöverföringen genom att öka turbulensen i kondensatfilmen. Det görs av klackar i spåren som kan liknas med termolisterna i en slät yankeecylinder. För effektiv värmeöverföring krävs att kondensatet avlägsnas så effektivt som möjligt. Avlägsning görs av rör, två eller tre per spår, som är anslutna till ett samlingsrör nära mantelns insida. Från samlingsrören, som är mellan två till sex, transporteras kondensatet till utloppet vid yankeecylinderns centrum. Kondensatet transporteras genom rören med hjälp av att viss mängd ånga får blåsa igenom (25-75 % av den kondenserande ångan). Genomblåsningsångan och kondensatet går sedan till kondenstanken. Där avskiljs ångan och kondensatet. Ångan transporteras tillbaka till yankeen och kondensatet åter till brännaren. Vid drift utsätts kondensatet för stora centrifugalkrafter, det gör avlägsning av kondensatet svårt. Det krävs alltså en kraft som avlägsnar kondensatet. Drivkraften för utblåsningen är en tryckskillnad på 0,5-1,0 bar från cylinderns inre och kondensatledningen utanför (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999). Cylindergavlarna kan vara utvändigt isolerade för att minska förluster. Denna isolering består av mineralull. Yankeecylindrar tillverkas i allmänhet av gjutjärn och arbetar med lite överhettad ånga vid 6-9 bars tryck. Genom optimering av gjutjärnets sammansättning ges hög styrkan och bra värmeöverföringsförmåga. Gjutjärnet är sammansatt av runt 95 % järn, 2,1-4 % kol, 1-3 % kisel samt eventuellt några andra metaller så som nickel, krom och mangan (wikipedia.org). 3.3.1.1 Ång- och kondenssystem Mjukpappersmaskintillverkare levererar inte alltid en förbränningsanläggning för produktion av ånga. Så deras uppgift är att uppskatta behovet av ånga så att en tillräcklig ångpanna installeras till systemet. 11(87)
Detta har gjort att ångförbrukning nämns i kg ånga per ton producerat papper istället för att räkna energikonsumtionen på det första steget i förbränningen där energin kommer in i systemet som gas/olja. Från Brännare Ejektor Till övriga ångförbrukare Yankeecylinder Tank Till Brännare Figur 3.3-1: Ett vanligt ångsystem för yankeecylindern. Från brännaren, figur 3.3-1, kommer 16-20 bars mättad ånga som blandas med ånga från tanken i en slags ejektor. Den skickar iväg ånga med yankeecylinderns ångtryck. Tryckskillnaden över yankeecylindern, runt 1 bar, transporterar ut kondensatet till tanken. För underlättning av transporten är det ungefär lika mycket ånga som kondensat. Två pumpar, en jobbar i taget och skickar tillbaka kondensatet till brännaren. Systemet är inte helt slutet. Övriga ångförbrukare är bland annat ånglådor över sugpressvalsar. Dessa värmer pappersbanan före presspartiet så att vattnet lättare kan pressas ut. Den ångan kommer efter kondensation över banan till bakvattnet. 12(87)
3.3.2 Yankeekåpan Yankeekåpa har en viktig funktion och det är att torka pappret från ovansidan. Detta är helt fundamentalt för att pappret ska uppfylla önskad torrhalt. Den tillförda energin från torkluften är minst lika stor som genom cylinderväggen. Torkluften har två uppgifter, avdunsta vatten från pappret och transportera bort vattenångan. Varmluften blåses på pappersytan från en perforerad plåt som sitter cirka 25 mm från cylinderytan. Genom hålen blåses varmluften vinkelrätt mot ytan (Metso Paper Karlstad Learning Center, 2008). Kåpan är vanligtvis uppdelad i 2 sektioner, där den första sektionen kallas för våtänden (WE, från engelskans Wet End) och den andra torränden (DE, från engelskans Dry End). Kåpan kan även vara uppdelad i tre- fyra sektioner men det är mindre vanligt. Luften i kåpan har i moderna yankeekåpor en temperatur mellan 300-600 C (metso.com) och luften värms i brännkammare där gas eller olja är bränslet. Luften transporteras runt av eldrivna fläktar. Varje sektion i kåpan har en egen fläkt och brännkammare. Figur 3.3-2: Yankeekåpan och cylindern med en zoomning på utblåsmunstycket på yankeekåpan. Pilarna indikerar luftens väg. 13(87)
3.3.2.1 Luftsystem 5 6 2 4 2 3 3 1 1 Figur 3.3-3: Vanligt system för varmluftscirkulationen i yankeekåpan, där, (Gavelin, Söder, Jonsson, 1999): 1. Brännare 2. Förbränningsfläkt 3. Cirkulationsfläkt 4. Frånluftsfläkt 5. Friskluftsfläkt 6. Värmeväxlare Friskluftsfläkten, 5 i figur 3.3-3, drar in luft till luftsystemet som värmeväxlas, 6, av frånluft som drivs ut av frånluftsfläkten, 4. I en del luftsystem är båda eller någon av friskluft- och frånluftsfläkten utbytt mot ett spjäll. Tillflödet till luftsystemet kan styras av förbränningsfläktarna, 2. De styr luftflödet till brännarna, 1. En energieffektiv anläggning utnyttjar energin i frånluften. Det görs till exempel genom att efter förvärmningen av tilluften, förs frånluften vidare till att värmeväxla med processvatten och slutligen med ventilationsluften (Nilsson, 2007). För att kunna utnyttja så mycket värme som möjligt av frånluften sänks dess daggpunkt så mycket som möjligt. Med en sänkt daggpunkt menas att temperaturen när vattnet i frånluften börjar kondensera sänks. Eftersom frånluften inte ska under sin daggpunkt kommer mer värme kunna utnyttjas när daggpunkten är låg. 14(87)
Cirkulationsfläktarna, 3, cirkulerar runt luften och styr dess påblåsningshastighet. Figur 3.3-4: Parallellvärmeväxlare med till- och frånluft. Där den varma frånluften går i tuberna och värmer upp tilluften i kanalerna. Med typiska värden i figur 3.3-4 vid tilluftens inloppstemperatur 0 och frånluften inloppstemperatur 346 skulle det ge efter värmeväxling en temperatur på tilluften till brännaren på 200 (Edet, Nilsson, 2007). Där begränsningen är att temperaturen på frånluften måste vara över sin daggpunkt, samt värmeväxlarens verkningsgrad. 3.3.3 Värmevärde Ett materials värmevärde är den värmeenergi som frigörs under förbränning. Energin som frigörs kan bestämmas teoretisk och experimentellt. För enkla bränslen, så som metan- och propangas, kan värmevärdet bestämmas teoretiskt genom att beräkna skillnaden mellan reaktanternas och produkternas reaktionsentalpi. För mer komplicerade bränslen, så som trä, bestäms värmevärdet genom att en kontrollerad mängd bränns under kontrollerade former och energin som bränslet avger under processen är värmevärdet. Givare för gasflödet ger massflödet i kg/h. För konvertering av massflöde till energiförbrukning används gasens värmevärde, energiinnehåll. Problemet är att det finns två olika värmevärde, HHV Higher Heating Value och LHV Lower Heating Value. Som namnen antyder är värdet på HHV högre än LHV. Vilket medför vid beräkning av energiförbrukningen ger HHV ett högre värde. På svenska heter dessa värmevärde: HHV kalorimetriskt värmevärde och LHV effektivt värmevärde. 15(87)
Det som gör att värdet på HHV och LHV skiljer sig åt är att värdet beräknas utifrån olika parametrar. För HHV beräknas det verkliga energiinnehållet, det vill säga energin mäts tills bränslet har nått tillbaka till sin ursprungliga temperatur. Energiinnehållet mäts från 25 C till 25 C (Bossel, 2003) tillskillnad mot LHV där mätningen av energiinnehållet är bara till 150 C. Detta gör att för LHV bortser ytterligare energirika tillstånd så som eventuell kondenseringsenergi av vattenånga vid 100 C. Den procentuella skillnaden mellan HHV och LHV ökar ju mer vatten som bränslet innehåller i och med kondenseringsenergi. Tabell 3-1 visar skillnaden mellan vanliga bränslens värmevärden. Tabell 3-1: Högt & lågt värmevärde för olika bränslen, (wikipeida.org). Bränsle HHV [MJ/kg] LHV [MJ/kg] Skillnad [%] Väte 141,8 121 14,7 Metan 55,5 50 9,9 Etan 51,9 47,8 7,9 Propan 50,35 46,35 7,9 Butan 49,5 45,75 7,6 Bensin 47,3 44,4 6,1 Paraffin 46 41,5 9,8 Fotogen 46,2 43 6,9 LHV är inget annat än ett praktiskt värde på energiinnehållet. Det är praktiskt att räkna bort den energin som ändå inte används. LHV-värdet skapades på 1800-talet när det blev uppenbart att kondenseringen av vattenånga ledde till korrosion och skada på utrustningen. Det var inte möjligt att kyla rökgaserna från svavelrikt kol mer än 150 C. Nu när kunskapen om rökgasrening och kondensering har ökat har användandet av LHV blivit mer och mer oförsvarbart. Det finns exempel på när användandet av LHV har medfört exceptionella verkningsgrader på processer över 100% (Bossel, 2003). Vilket enligt naturlagarna är helt omöjligt. Energi kan inte skapas, den kan bara omvandlas med förlust från ett stadium till ett annat. I pappersindustrin, och industrin i stort, används olika värmevärde, generellt används LHV i Europa medans i USA används HHV. Detta medför en osäkerhet när energiförbrukning mellan olika processer jämförs. Med dagens energidebatt bör det vara en självklarhet att använda HHV. 3.4 Rullning/Efterbehandling 3.4.1 Kräppning En av de viktigaste processerna i en pappersmaskin är kräppningen. Den processen lossar eller skrapar av pappersbanan från yankeecylinder och kräppar pappret. Kräppning innebär 16(87)
att pappret trycks ihop med 10-30 %, vilket skapar tvärgående veck. Det gör pappret mer luftigt, mjukare, töjbarare men det får även lägre brottstyrka. Kvalitén på pappret beror till stor del på kräppningen. Därför gäller det att optimera adhesionen på pappersbanan och vinklarna på schaber som skär av pappret från cylindermanteln. Storleken på adhesionen spelar inte så stor roll utan det är adhesion i jämförelse med papprets kohesion, styrkan i pappret, som spelar roll. Pappersbanan måste i vilket fall som helst ha en tillräckligt stark adhesion så att pressvalsarna gör att pappersbanan fastnar på yankeecylindern. Samtidigt ska adhesionen inte vara för stark vid avtagandet av schaber. Kräppningen är en mycket omild behandling av pappret och det är oundvikligt att fiberdamm skapas vid kräppningen. Därav sitter det en suglåda i yankeekåpan vid kräppningen som renar luften från fiberpartiklar. 3.5 Rullning Efter kräppningen förs pappersbanan genom två glättningsvalsar som ökar papprets mjukhet och för att styra bulken. Den processen kallas kalendrering och är viktig för slutprodukten. Kalendreringen sker genom att två valsar pressar pappersbanan mellan sig för att utjämna dess profil för att öka lenheten. Avståndet mellan yankeen och rullstolen ska vara så kort som möjlig för att minska risken för banbrott. Minskad risk görs också genom att banföringen är så rak som möjligt och banstabilatorer placeras över banan. Dessutom kombineras detta med en beröringsfri dammsugning. Vid upprullningen kommer pappersbanan till en bärcylinder (trumman), som en upprullningsvals pressas emot och genom att klister sprutas på upprullningsvalsen börjar upprullningen. När pappret på upprullningsvalsen kommit upp till en viss storlek ska ett rullbyte ske. Detta sker genom att först accelerera upp en ny upprullningsvals till maskinhastigheten. Sen pressas den nya upprullningsvalsen på trumman med ett specifikt tryck och klistring gör att upprullningen startar på den nya valsen. 3.6 Kringutrustning 3.6.1 Vatten & massa Kostnaden för massa i ett pappersbruk står för 60-75 % av den totala produktionskostnaden. Därav är det viktigt att hantera massan på ett effektivt sätt. Massan kommer vanligtvis till pappersbruket i balar. Ett vanligt bruk har flera massalinjer i massaberedningen ett för hardwood, en för softwood, en för utskott från maskin och en för utskott från konverteringen. Dessa massor går avskilt genom ett antal steg innan de blandas till de olika siktens blandning av massaslagen. Först sker en uppslagning av massabalarna i upplösare så att fibrerna friläggs från varandra Detta sker normalt vid en koncentration av 7 % (Edvinsson, intervju, 2009). Efter uppslagning 17(87)
transporteras massan till ett massakar där det tillsätts mer vatten (massainnehåll 5 %) och här väntar massan på att transporteras vidare i system. Efter massakaret går massan genom ett reningsteg där orenheter filtreras bort. Massans nästa steg är att de ska raffineras i en raffinör (malning), för att senare skickas vidare till blandningskaret. I blandningskaret uppnås önskad sammansättning på massorna genom att bland dem. Dessutom blandas massan med utvunnen massa från processen. Massan går förbi en kontrollraffinör före maskinkaret där massainnehållet är cirka 3,5 % och det är sista karet före inloppslådan. Massan från maskinkaret blandas med vatten från den korta cirkulationen och pumpas av blandningspumpen till inloppslådan men först passerar massan en sil. Där filtreras oönskat material i vattnet bort. I inloppslådan är massainnehållet 0,5 %, vid formeringen ökar den till 10 % och det vatten som avvattnas går till blandningen med massa från maskinkaret, den korta cirkulationen. Från formeringen till torkningen ökar papprets torrhalt från 10 % till 40 %. Vattnet tas hand om och förs vidare i den så kallade långa cirkulationen. Vattnet innehåller ungefär 0,1 % fibrer och det filtreras och skickas till blandningskaren där det återanvänds. I den långa cirkulationen förs vattnet först till ett kar. Därefter till en utrustning för att återvinna fiber, oftast en så kallad mikroflotation. I mikroflotationen löses luft upp i vatten under tryck för att senare släppas lös i atmosfärstryck. Det gör att små bubblor skapas som tar med sig fibrerna upp till ytan. Vattnen, i botten, som blir rent från fibrer pumpas därefter till massaupplösning samt för konsistenskontroll av massan. Resterande vattnen förs vidare till mer rening som efter det används som spritsvatten (Edvinsson, intervju, 2009). Färskvattenförbrukningen ska hållas så låg som möjligt. Det måste dock användas som kylvatten, tätningsvatten och till det kemiska systemet. Dessutom ska färskvatten täcka upp förlusterna i systemet. Vattenförluster från systemet är bland annat med pappret, ungefär 5 % vatteninnehåll i färdigt papper. Från yankeekåpan försvinner vatten från systemet när det avdunstas, torrhalten på pappret ökar där från runt 40 % till 95 %. 3.6.2 Vakuum Många komponenter på en pappersmaskin kräver vakuum, undertryck. Det skiljs mellan högvakuumförbrukare (ungefär -75 kpa undertryck) och lågvakuumförbrukare (-35 kpa). Högvakuumförbrukare är sugvalsar och suglådor. Även vakuumformaren (moulding box) på en TAD-maskin kräver kraftigt undertryck. Lågvakuumförbrukare är bland annat avvattnare av filt/vira vid reningsstationer, när inte pappret ligger på. Lågvakuum används även vid avtagning av banan. 4 Torkningsteori Värmetransport kan ske på tre olika sätt - konduktion, konvektion och strålning. Konduktion är värmetransport genom interaktion med en mer och en mindre energirik partikel. Konvektion är värmetransport mellan en solid yta och en fluid i rörelse, den värmetransporten är en kombination av effekter från konduktionen och fluidens rörelser. 18(87)
Strålning är värmeenergi i form av elektromagnetiska vågor (fotoner) som emitterar från all materia vars temperatur är högre än 0 K. 4.1 Ånga Genom yankeecylinderns mantel sker värmetransporten främst genom konduktion. Ångans fasomvandlingsenergi vid dess tryck är energiåtgången, eftersom efter fasövergången avlägsnas kondensatet. Denna energi är vid 8 bars mättnadstryck ungefär 2000 kj/kg. Det sker ingen konvektion i transporten av energi från manteln till pappret, det är interaktion mellan två solider. Värmetransporten genom konduktion i ett medium beror på dess geometri, tjocklek, material samt mediets temperaturskillnad. Den bestäms av Fouriers lag av värmekonduktion: Q kond = ka dt dx (4.1.1) där: Q kond = Värmetransporten genom konduktion [W] k = Mediets värmeledningsförmåga [W/ m ] A = Mediets mantelarea [m 2 ] dt = Temperaturgradienten genom mediet [ /m] dx Minustecknet i formeln försäkrar att värmetransporten är positiv i positiv x-riktning. Pappersbana Ånga T s T i Yankeemantel Figur 4.1-1: Yankeemanteln där T i är temperaturen på insidan på mantenln och T s på utsidan. För yankeecylindern bestäms värmetransporten genom cylindermantel, i figur 4.1-1. av: Q = h A T = h A T i T s (4.1.2) 19(87)
där: h = värmeövergångskoefficienten från insidan till utsidan av manteln, formel (4.1.3) [W/(m² C)] A = kontaktarean mellan pappret och mantelytan [m²] T i T s = temperaturskillnaden mellan insidan och utsidan av cylindern [ C] h-värdet i (4.1.2) bestäms utifrån värmemotstånden från ånga till utsidan av cylindern. Det finns två motstånd: 1 α = Övergångsmotståndet från ånga till mantelgods [W/ m2 ] t k = Ledningsmotståndet genom manteln [W/ m2 ] där: t = tjockleken på manteln [m] k = mantelmaterialets värmeledningsförmåga [W/ m ] Vilket ger det totala motståndet till: 1 = t k + 1 α (4.1.3) I värmetransporten från ånga till papper finns det några fler värmemotstånd, se figur 4.1-2. Det är värmeövergången från utsidan av cylindern till pappret. Motståndet vid denna övergång är relativt litet och brukar försummas. Ett problem med denna övergång är att för beräkningen krävs papprets temperatur under avdunstningen och de är besvärliga att bestämma, samt varierande under hela torkningsförloppet. Andra värmeövergångar som inte är med i beräkningen är kondensfilmen samt den kemikaliebeläggningen på cylinderytan. Typiska värden för parametrarna i (4.1.2) är: = 780 W/m 2 Pappret omsluter yankeecylinder cirka 245 ; A = diametern uppskattas till är 5,5 m; = 82,8 m 2 pappersbanans bredd upskattas till 5,8 m T i = Mättningstemperatur vid vanligt ångtryck, t. ex. 8 bar = 170 T y = 100 Dessa värden skulle ge följande värmeflöde: Q = 780 82,8 170 100 = 4 520 kw (4.1.4) Vanlig produktion för en sådan anläggning är runt 200 ton/dag. Det ger specifik energiförbrukning till: E = Q m = 543 kw/ton papper (4.1.5) Detta är en uppskattning på värmetransporten från ånga till papper genom yankeecylindern. Värdet på värmegenomgångskoefficienten, k, är framtagen utifrån empiriska värden. 20(87)