Vedyn käytön tarkastelu Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla
Kärkkäinen, Henri (2015)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201503061834
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201503061834
Tiivistelmä
Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla valmistetaan lipeää, suolahappoa, natriumhypokloriittia sekä natriumkloraattia. Lipeää, suolahappoa ja natriumhypokloriittia valmistetaan lipeätehtaassa. Natriumkloraattia valmistetaan kloraattitehtaassa. Kloraatti- ja lipeätehtaan tuotteet valmistetaan elektrolyysimenetelmällä. Elektrolyysien sivutuotteena syntyy vetykaasua, joka voidaan käyttää suolahapon valmistukseen, vetyvoimalaitoksen polttoaineena tai myydä asiakkaalle.
Työn tavoitteena oli tarkastella vedyn käyttöä Joutsenon tehtailla. Tarkastelun tavoitteena oli löytää mahdollisia kehitys- tai jatkotutkimuskohteita vety- ja höyryjärjestelmästä. Koska vetyä käytetään myös vetyvoimalaitoksen polttoaineena, joka tuottaa tehtailla tarvittavan prosessihöyryn, tarkasteltiin työssä myös höyryn käyttöä tehtailla. Tarkastelua varten tehtiin Microsoft Excel-pohjainen taselaskentamalli, jolla simuloitiin vedyn ja höyryn käyttöä tehtailla.
Työn tuloksena saatiin Excel-pohjainen simulointimalli, jolla pystyttiin tutkimaan vedyn ja höyryn käyttöä. Vedyn ja höyryn käyttöä tutkittiin viidessä eri skenaariossa. Skenaariossa yksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla tehtaita on turvallista käyttää. Skenaariossa kaksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla voimalaitoksen turbiini pysyisi ajossa. Skenaariossa kolme määritettiin tehtaiden tämän hetkinen maksimi kapasiteetti. Skenaarioissa neljä ja viisi tutkittiin, miten mahdollinen tehtaiden tuotantojen kasvattaminen vaikuttaisi vety- ja höyryjärjestelmään.
Työn tuloksien perusteella kehitys- ja jatkotutkimuskohteita olisivat lipeän haihdutuksen höyryn kulutuksen pienentäminen, turbiinin käyttöajan kasvattaminen sekä eri lähteistä saatavan hukkalämmön parempi hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa. Tehtaiden tuotantoja kasvatettaessa on syytä kiinnittää huomioita myös voimalaitoksen pääkattilan ja turbiinin kapasiteettiin. At Kemira Chemicals Joutseno plant the caustic soda, hydrochloric acid, sodium hypochlorite and sodium chlorate are produced by electrolysis method. Caustic soda, hydrochloric acid and sodium hypochlorite are produced in Chlor-Alkali plant and sodium chlorate in the Chlorate plant. Both electrolysis produces also hydrogen gas as a by-product. Hydrogen may be used as a raw material of hydrochloric acid, fuel of hydrogen power plant or sell to the customer after compression.
The aim of this Master’s thesis is analyze the use of hydrogen and also identify the possible development objects in the hydrogen and steam system according to the results of the analysis. Because of the fact that hydrogen is used to fuel of hydrogen power plant which produces process steam to the both plant there is a reason to explore the use of steam also. The analysis was carried out by Microsoft Excel based model which calculates mass and energy balances.
As a result of this study was the Microsoft Excel based model. The use of hydrogen and steam were investigated by five different scenarios. In first scenario was determined the minimum currents to the electrolyzers for which plant can be used safely. In second scenario was determined the minimum currents to the electrolyzers for which there is enough high pressure steam available to steam turbine. In third scenario was determined the plant’s maximum production rates at the moment. And the rest of the scenarios related on possible investments to increasing the production. Especially, how the increase in production influence on the hydrogen steam system.
According to results the possible development object were decreasing the steam consumption in caustic soda evaporation, increasing the operating time of turbine and better utilization of waste heat in district heat production. The capacities of main boiler and turbine must be taking account in investments to increasing the productions.
Työn tavoitteena oli tarkastella vedyn käyttöä Joutsenon tehtailla. Tarkastelun tavoitteena oli löytää mahdollisia kehitys- tai jatkotutkimuskohteita vety- ja höyryjärjestelmästä. Koska vetyä käytetään myös vetyvoimalaitoksen polttoaineena, joka tuottaa tehtailla tarvittavan prosessihöyryn, tarkasteltiin työssä myös höyryn käyttöä tehtailla. Tarkastelua varten tehtiin Microsoft Excel-pohjainen taselaskentamalli, jolla simuloitiin vedyn ja höyryn käyttöä tehtailla.
Työn tuloksena saatiin Excel-pohjainen simulointimalli, jolla pystyttiin tutkimaan vedyn ja höyryn käyttöä. Vedyn ja höyryn käyttöä tutkittiin viidessä eri skenaariossa. Skenaariossa yksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla tehtaita on turvallista käyttää. Skenaariossa kaksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla voimalaitoksen turbiini pysyisi ajossa. Skenaariossa kolme määritettiin tehtaiden tämän hetkinen maksimi kapasiteetti. Skenaarioissa neljä ja viisi tutkittiin, miten mahdollinen tehtaiden tuotantojen kasvattaminen vaikuttaisi vety- ja höyryjärjestelmään.
Työn tuloksien perusteella kehitys- ja jatkotutkimuskohteita olisivat lipeän haihdutuksen höyryn kulutuksen pienentäminen, turbiinin käyttöajan kasvattaminen sekä eri lähteistä saatavan hukkalämmön parempi hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa. Tehtaiden tuotantoja kasvatettaessa on syytä kiinnittää huomioita myös voimalaitoksen pääkattilan ja turbiinin kapasiteettiin.
The aim of this Master’s thesis is analyze the use of hydrogen and also identify the possible development objects in the hydrogen and steam system according to the results of the analysis. Because of the fact that hydrogen is used to fuel of hydrogen power plant which produces process steam to the both plant there is a reason to explore the use of steam also. The analysis was carried out by Microsoft Excel based model which calculates mass and energy balances.
As a result of this study was the Microsoft Excel based model. The use of hydrogen and steam were investigated by five different scenarios. In first scenario was determined the minimum currents to the electrolyzers for which plant can be used safely. In second scenario was determined the minimum currents to the electrolyzers for which there is enough high pressure steam available to steam turbine. In third scenario was determined the plant’s maximum production rates at the moment. And the rest of the scenarios related on possible investments to increasing the production. Especially, how the increase in production influence on the hydrogen steam system.
According to results the possible development object were decreasing the steam consumption in caustic soda evaporation, increasing the operating time of turbine and better utilization of waste heat in district heat production. The capacities of main boiler and turbine must be taking account in investments to increasing the productions.