Lime kiln fuel options and effects on the pulp mill energy balance

Abstract

Pulp mills are increasingly striving for fossil fuel-free pulp production. Currently, however, most of the world’s pulp mills use heavy fuel oil and natural gas in the lime kiln as the only fossil fuel within the mill site during normal production. The aim of this thesis is to examine the most potential fuel options for fossil fuel replacement in a lime kiln and the effects on the pulp mill energy balance.

In the literature part, the basic principles of the chemical recovery of a pulp mill are presented, as well as the operating principles of the lime cycle and lime kiln in a little more detail way. The traditional and alternative fuels of the lime kiln are also examined based on the literature, from the important perspectives for the use of each fuel in the lime kiln.

In the experimental part of the work, hypothetical case mills were defined, and fiber and chemical balances were calculated, which resulted in the fuel flows and production capacities required for the calculation of energy balances. Using the main fiber and chemical balance results, energy balances were calculated for the predefined case mills. The energy balance results and the effects of the fuel options were compared to the base case, with the traditional fossil fuel firing mill model.

Case mills were also compared in terms of operating costs (OPEX), and capital expenditures (CAPEX). The differences for OPEX and CAPEX were evaluated and the economic viability of each case was discussed, by comparing to the cases firing fossil fuels.

Sellutehtaat pyrkivät siirtymään entistä enemmän fossiilisista polttoaineista vapaaseen sellun tuotantoon. Tällä hetkellä kuitenkin suurin osa maailman sellutehtaista polttaa fossiilisia polttoaineita meesauunissa. Sellutehtaissa meesauuni onkin normaalissa tuotantotilanteessa ainoa fossiilisia polttoaineita käyttävä yksikkö. Tämän työn tavoitteena on tarkastellaan potentiaalisia fossiilivapaita polttoainevaihtoehtoja meesauunille ja niiden vaikutusta sellutehtaan energiataseeseen. Kirjallisuus osuudessa esiteltiin sellutehtaan kemiallisen talteenoton perustoiminta, sekä hieman tarkemmin kalkkikierron ja meesauunin toimintaperiaatteet.

Kirjallisuus osuudessa käsiteltiin myös meesauunin perinteisiä sekä vaihtoehtoisia polttoaineita kirjallisuuteen perustuen, meesauunin ja sellutehtaan toiminnan kannalta tärkeistä näkökulmista.

Työn kokeellisessa osuudessa määritetyille tehdasmalleille laskettiin kuitu- ja kemikaalitaseet, joiden avulla selvitettiin energiataseiden laskemiseen vaaditut polttoainevirrat ja osastojen tuotantokapasiteetit. Päätasetulosten avulla määritetyille tehdasmalleille laskettiin energiataseet, joiden tuloksia ja polttoainevaihtoehtojen vaikutuksia tehtaisiin verrattiin perinteiseen fossiilisia polttoaineita käyttävään tehdasmalliin.

Työn lopussa vertailtiin myös, mallitehtaiden käyttö- (OPEX) ja investointikustannusten (CAPEX) eroja sekä niiden vaikutusta mallitehtaiden taloudelliseen kannattavuuteen.