Optimization of secondary heat in forest biorefinery
Tiainen, Jaakko (2022)
Katso/ Avaa
Sisältö avataan julkiseksi: 14.09.2024
Diplomityö
Tiainen, Jaakko
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022083056791
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022083056791
Tiivistelmä
The objective of this thesis was to develop a new energy balance tool that considers the use of secondary heat better than previous energy balances. Secondary heat is heat that is transferred to the side stream, such as cooling water or wastewater, in the process. Often secondary heat is not utilized. The new energy balance includes secondary heat balance that has typically been a part of water balance. By integrating secondary heat balance into energy balance, the impact of secondary heat on steam consumption can be considered in energy calculations.
The literature part of this thesis discusses pulping technology, energy consumption and production in forest biorefineries, and secondary heat and its utilization. The new secondary heat balance is developed and tested in a non-integrated pulp mill and an integrated forest biorefinery in the experimental part. Secondary heat sources used in this study are warm water, bleach effluent, and flue gas heat recovery. Secondary heat is utilized in hot water production and heating of combustion air, boiler make-up water, and condensate by heat exchangers and heat pumps.
The results revealed that the new energy balance tool is working and successfully includes secondary heat’s impact. In the non-integrated pulp mill, the total steam consumption decreased, allowing for increased power generation. The integrated forest biorefinery had a possibility to reduce the combustion of purchased bark due to the significantly decreased steam consumption. In both cases, using heat pumps increases mills’ own electricity consumption so that the benefit from increased power generation remains slight. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää energiatasetyökalu, joka huomioi sekundäärilämmön käytön paremmin, kuin aiemmat käytössä olleet energiataseet. Sekundäärilämpö on prosessissa sivuvirtaan, kuten jäähdytys- tai jäteveteen, siirtynyttä lämpöä, joka on usein jätetty hyödyntämättä. Uusi energiatase sisältää sekundäärilämpötaseen, joka on tavallisesti ollut osa vesitasetta. Sisällyttämällä sekundäärilämmöt energiataseeseen, sekundäärilämpöjen vaikutus höyryn käyttöön pystytään huomioimaan taselaskuissa.
Kirjallisuusosio käsittelee lyhyesti sellutekniikkaa, energian kulutusta ja tuotantoa biotuotetehtailla, sekä sekundäärilämpöä ja sen hyödyntämistä. Kokeellisessa osassa kehitetään uusi energiatase ja testataan sitä sellutehtaalle ja integroidulle tehtaalle. Työssä käytetyt sekundäärilämmön lähteet ovat lämmin vesi, valkaisun jätevesi ja savukaasun lämmön talteenotto. Sekundäärilämpöä hyödynnetään kuuman veden valmistuksessa ja palamisilman, kattilan lisäveden ja lauhteen lämmityksessä lämmönvaihtimilla ja lämpöpumpuilla.
Työn tuloksena huomattiin, että uusi energiatase toimii ottaen huomioon sekundäärilämpöjen vaikutuksen. Sellutehtaan tapauksessa kokonaishöyrynkulutus laski mahdollistaen kasvatetun sähköntuotannon. Biotuotetehtaalla mahdollisuutena oli vähentää ostetun kuoren polttamista voimakattilassa merkittävästi vähentyneen höyrynkulutuksen johdosta. Molemmissa tapauksissa lämpöpumppujen käyttö lisää tehtaan omaa sähkönkulutusta niin, että saatu hyöty lisääntyneestä sähköntuotannosta jää vähäiseksi.
The literature part of this thesis discusses pulping technology, energy consumption and production in forest biorefineries, and secondary heat and its utilization. The new secondary heat balance is developed and tested in a non-integrated pulp mill and an integrated forest biorefinery in the experimental part. Secondary heat sources used in this study are warm water, bleach effluent, and flue gas heat recovery. Secondary heat is utilized in hot water production and heating of combustion air, boiler make-up water, and condensate by heat exchangers and heat pumps.
The results revealed that the new energy balance tool is working and successfully includes secondary heat’s impact. In the non-integrated pulp mill, the total steam consumption decreased, allowing for increased power generation. The integrated forest biorefinery had a possibility to reduce the combustion of purchased bark due to the significantly decreased steam consumption. In both cases, using heat pumps increases mills’ own electricity consumption so that the benefit from increased power generation remains slight.
Kirjallisuusosio käsittelee lyhyesti sellutekniikkaa, energian kulutusta ja tuotantoa biotuotetehtailla, sekä sekundäärilämpöä ja sen hyödyntämistä. Kokeellisessa osassa kehitetään uusi energiatase ja testataan sitä sellutehtaalle ja integroidulle tehtaalle. Työssä käytetyt sekundäärilämmön lähteet ovat lämmin vesi, valkaisun jätevesi ja savukaasun lämmön talteenotto. Sekundäärilämpöä hyödynnetään kuuman veden valmistuksessa ja palamisilman, kattilan lisäveden ja lauhteen lämmityksessä lämmönvaihtimilla ja lämpöpumpuilla.
Työn tuloksena huomattiin, että uusi energiatase toimii ottaen huomioon sekundäärilämpöjen vaikutuksen. Sellutehtaan tapauksessa kokonaishöyrynkulutus laski mahdollistaen kasvatetun sähköntuotannon. Biotuotetehtaalla mahdollisuutena oli vähentää ostetun kuoren polttamista voimakattilassa merkittävästi vähentyneen höyrynkulutuksen johdosta. Molemmissa tapauksissa lämpöpumppujen käyttö lisää tehtaan omaa sähkönkulutusta niin, että saatu hyöty lisääntyneestä sähköntuotannosta jää vähäiseksi.