Fossil free energy source options for air dryers : OptiDry Twin

Abstract

This master’s thesis is a study into the fossil free energy options available for an impingement dryer, OptiDry Twin. The dryer is currently operated with an integrated natural gas burner, which heats up the air. The 350-400 °C air flow is then directed to the paper web through a nozzle plate. Valmet has an ambitious climate program and in addition the EU, Finland, other countries, and Valmet’s customers are all targeting to reduce emissions.All of these targets encourage to find a realistic fossil free energy source for the OptiDry Twin. Options to replace natural gas were found. More futuristic options are pure hydrogen, synthetic natural gas from hydrogen and carbon dioxide, and a miniature nuclear reactor. All of these require more research and development to become accessible. Electric coils and biogas could be used with current technology available. Biogas use needs fewer changes and additions to the dryer system compared to electric coils. Biogas requires cleaning before it can be used. Electric heaters proved to be expensive compared to the current natural gas burner, with a price of about 325 000€ to replace one of five gas burners, this price includes the unit price and the additional expenses from design work for example. From different biogas treatment methods, water scrubbing, and membrane technology were chosen for their ability to remove required impurities efficiently. Both were found out to be more expensive per m3/h in smaller units compared to in larger units, averaging at about 430 €/(m3/h ) with water scrubbing and 370€/(m3/h) with membrane technology. A the end, biogas solution is better suited for locations that already have a functioning OptiDry Twin as no changes to the dryer is needed. If the OptiDry Twin would be a new installation, the electric option could be considered, however, the OptiDry Twin requires some redesigning to be able to house the electric heaters and sustain their weight.

Tässä diplomityössä tutkitaan fossiilivapaita energiamuotoja, joita voitaisiin hyödyntää ilnpakuivaimella, OptiDry Twinillä. Kuivain toimii nykyyän integroidulla maakaasupolttimella, joka lämmittää ilman noin 350-400 °C. Kuuma ilma ohjataan suuttimien läpi paperirainaan. Valmet, EU, Suomi, monet muut maat, ja esimerkiksi Valmetin asiakkaat ovat asettaneet ilmastotavoitteita, jotka kannustavat päästöjen vähentämiseen ja sitä myötä löytämään realistinen fossiilivapaa enrgiamuoto OptiDry Twinille. Energiavaihtoehtoja löydettiin ja tulevaisuudessa vaihtoehtoja voisivat olla esimerkiksi synteettinen maakaasu, vety ja pieni ydinreaktori. Kaikki nämä vaativat lisää tutkimista ja kehittämistä ennen käyttöä tähän tarkoitukseen. Biokaasu ja sähkövastusratkaisut olisivat mahdollisia vaihtoehtoja nykytekniikalla. Olemassa olevaan kaasupolttimeen tulee tehdä huomattavasti enemmän muutoksia sähkövastusratkaisun kuin biokaasun kanssa. Biokaasu pitää kuitenkin puhdistaa ennen käyttöä. Sähkövastusten hinta on korkea verrattuna nykyisiin kaasupolttimiin, vastusten kustannusarvio on noin 325 000€ sisältäen sähkövastukset, sekä lisäkustannukset esimerkiksi suunnittelutyöstä. Eri biokaasunkäsittelymenetelmistä vesipesu ja membraaniteknologia valittiin, sillä ne voivat poistaa halutut epäpuhtaudet samanaikaisesti. Molempien vaihtoehtojen kohdalla kustannusanalyysissä huomattiin, että pienet yksiköt ovat kalliimpia kuin suuret puhdistettua kuutiota kohden. Hintojen keskiarvot olivat 430 €/ (m3/h) vesipesulle ja 370 €/(m3/h) membraaniteknologialle. Lopputuloksena biokaasun todettiin olevan parempi vaihtoehto kohteisin, joissa on jo OptiDry Twin olemassa, koska itse kuivaimeen ei tarvitsisi tehdä muutoksia. Sähkövastusvaihtoehtoa voitaisiin harkita kohteisiin, joissa OptiDry Twin olisi uusi lisä, vaikka kuivain itsessään vaatii hieman uudelleen suunnittelua, jotta sähkövastus mahtuu kuivaimeen ja jotta kuivain kestää vastusten painon.