Gas flow analysis in a Kraft recovery boiler

Demands for optimal boiler performance and increased concerns in lowering emission have always been the driving force in the reevaluation and evolution of the Kraft boiler: specifically the air distribution strategies that are directly related to achieving increased residence time of flue gas combustion inside the furnace which in turn lowers atmosphere emission levels and enhances boiler operation. This paper presents the results of a study that analyzes the interaction of the different multilevel air injections have on flue gas flow patterns including various quaternary air supply arrangements. Additionally, this study assesses the performance of the CFD (Computational Fluid Dynamics) model against data available in literature. Simulations were performed considering isothermal and incompressible flows, and did not take into account thermal phenomena or chemical reactions. The numerical solutions generated proved to be coherently related to the data available in literature, and provided proof of the efficiency of tertiary level air injection, as well as revealed that quaternary air injection ports arranged in a symmetrical configuration is most suitable for optimal equipment operation. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Prediction of heat transfer on kraft recovery boiler

Työssä tutkittiin Andritz-Ahlstrom toimittamien soodakattiloiden lämmönsiirtoa ANITA 2.20- suunnitteluohjelmalla feedback- laskentaa apuna käyttäen. Data laskentaan saatiin kattiloiden takuukokeissa mitatuista arvoista. Mittaukset on suoritettiin Andritz-Ahlstromin henkilökunnan toimesta tehdashenkilökunnan avustuksella. Feedback -laskenta tapahtui mittaustulosten perusteella, joten tiettyä virhettä luonnollisesti esiintyi. Aluksi laskettiin taseet molempien ekojen yli erikseen sekä molemmat yhdessä Excel-taulukkolaskentaohjelmalla. Täältä saatiin oletettu savukaasuvirtaus kattilassa. Tämän jälkeen lämpöpintoja muokattiin todellisuutta vastaaviksi yleislikaisuuskerrointa muuttamalla (overall fouling factor). Kertoimet ovat liikkuivat noin 0.4 ja 1.6 välillä riipuen kattilan tyypistä ja ANITAn oletuksesta lämpöpintojen likaisuudelle. Havaittin että yhtä varsinaista syytä lämpöpintojen eroavaisuuteen oletetusta ei saatu. Syitä toiminnan poikkeamiseen oli monia. Mm. etukammion koolla havaittiin olevan suurtakin vaikutusta tulistimien, etenkin savukaasuvirrassa ensimmäisen tulistimen toimintaan. Yleisesti todettiin muiden tulistimien vastaavan oletettua toimintaa. Keittopinnan ja ekonomiserien toimintaa tutkittiin hivenen suppeammin ja havaittiin niiden toimivan huomattavasti stabiilimmin kuin tulistimien. Likaisuus kertoimet oletetusta vaihtelivat noin ±20 %.

Offdesign operation of kraft recovery boiler

A model to solve heat and mass balances during the offdesign load calculations was created. These equations are complex and nonlinear. The main new ideas used in the created offdesign model of a kraft recovery boiler are the use of heat flows as torn iteration variables instead of the current practice of using the mass flows, vectorizing equation solving, thus speeding up the process, using non dimensional variables for solving the multiple heat transfer surface problem and using a new procedure for calculating pressure losses. Recovery boiler heat and mass balances are reduced to vector form. It is shown that these vectorized equations can be solved virtually without iteration. The iteration speed is enhanced by the use of the derived method of calculating multiple heat transfer surfaces simultaneously. To achieve this quick convergence the heat flows were used as the torn iteration parameters. A new method to handle pressure loss calculations with linearization was presented. This method enabled less time to be spent calculating pressure losses. The derived vector representation of the steam generator was used to calculate offdesign operation parameters for a 3000 tds/d example recovery boiler. The model was used to study recovery boiler part load operation and the effect of the black liquor dry solids increase on recovery boiler dimensioning. Heat flows to surface elements for part load calculations can be closely approximated with a previously defined exponent function. The exponential method can be used for the prediction of fouling in kraft recovery boilers. For similar furnaces the firing of 80 % dry solids liquor produces lower hearth heat release rate than the 65 % dry solids liquor if we fire at constant steam flow. The furnace outlet temperatures show that capacity increase with firing rate increase produces higher loadings than capacity increase with dry solids increase. The economizers, boiler banks and furnaces can be dimensioned smaller if we increase the black liquor dry solids content. The main problem with increased black liquor dry solids content is the decrease in the heat available to superheat. Whenever possible the furnace exit temperature should be increased by decreasing the furnace height. The increase in the furnace exit temperature is usually opposed because of fear of increased corrosion.

Kraft recovery boilers – Principles and practice

This book was created as postgraduate lecture notes for Lappeenranta University of Technology's special course of steam power plants. But as with anything ever written the ideas shown have nurtured for a long time. Parts of these chapters have appeared elsewhere as individual papers or work documents. One of the most helpful episodes have been presentations and discussions during Pohto Operator training seminars. Input from those sessions can be seen in chapter firing. You who run recovery boilers, I salute you. The purpose of this text is to give the reader an overview of recovery boiler operation. Most parts of the recovery boiler operation are common to boilers burning other fuels. The furnace operation differs significantly from operation of other boiler furnaces. Oxygen rich atmosphere is needed to burn fuel efficiently. But the main function of recovery boiler is to reduce spent cooking chemicals. Reduction reactions happen best in oxygen deficient atmosphere. This dual, conflicting nature of recovery furnace makes understanding it so challenging. To understand the processes happening in the recovery furnace one must try to understand the detailed processes that might occur and their limitations. Therefore chapters on materials, corrosion and fouling have been added.

Detecting an abnormality in a recovery boiler using dynamic multivariate data analysis with parallel coordinate plots

Data visualization techniques are powerful in the handling and analysis of multivariate systems. One such technique known as parallel coordinates was used to support the diagnosis of an event, detected by a neural network-based monitoring system, in a boiler at a Brazilian Kraft pulp mill. Its attractiveness is the possibility of the visualization of several variables simultaneously. The diagnostic procedure was carried out step-by-step going through exploratory, explanatory, confirmatory, and communicative goals. This tool allowed the visualization of the boiler dynamics in an easier way, compared to commonly used univariate trend plots. In addition it facilitated analysis of other aspects, namely relationships among process variables, distinct modes of operation and discrepant data. The whole analysis revealed firstly that the period involving the detected event was associated with a transition between two distinct normal modes of operation, and secondly the presence of unusual changes in process variables at this time.

Modern recovery boiler design criteria

Engineering and pricing of large recovery boiler were studied in this work. Engineering was carried out with Anita 4.2 which is an engineering program of Andritz. Key initial values were chosen with previous studies. Primary target of this work was to find out the consequences that furnace dimensions and furnace screen vertical part has to boiler pricing. Boilers that were engineered had different rate of furnace width and depth and different heat transfer plate count. Boiler balances were invariable. Boilers with different vertical screen construction were also calculated. First variation was boiler with vertical screen up to furnace roof. Other variation was to connect vertical screen to Pre-boiler generating bank inlet tubes. Total prices were calculated to engineered boilers. Pricing was sort out to heat transfers, high pressure pipes, steel structures, auxiliary equipments and civil/structural costs. This study did not notice parts of the boiler which costs do not vary with the construction of the boiler. Heat transfers had the largest share of costs. Boiler building had the most significant differences between the boilers. Furnace screen had also significant role especially to costs of the boiler building.

Effects of Fin Parameters on Gas-Side Heat Transfer Performance of H-Type Finned Tube Bundle in a Waste Heat Recovery Boiler

Alfa Laval Aalborg Oy designs and manufactures waste heat recovery systems utilizing extended surfaces. The waste heat recovery boiler considered in this thesis is a water-tube boiler where exhaust gas is used as the convective heat transfer medium and water or steam flowing inside the tubes is subject to cross-flow. This thesis aims to contribute to the design of waste heat recovery boiler unit by developing a numerical model of the H-type finned tube bundle currently used by Alfa Laval Aalborg Oy to evaluate the gas-side heat transfer performance. The main objective is to identify weaknesses and potential areas of development in the current H-type finned tube design. In addition, numerical simulations for a total of 15 cases with varying geometric parameters are conducted to investigate the heat transfer and pressure drop performance dependent on H-type fin geometry. The investigated geometric parameters include fin width and height, fin spacing, and fin thickness. Comparison between single and double tube type configuration is also conducted. Based on the simulation results, the local heat transfer and flow behaviour of the H-type finned tube is presented including boundary layer development between the fins, the formation of recirculation zone behind the tubes, and the local variations of flow velocity and temperature within the tube bundle and on the fin surface. Moreover, an evaluation of the effects of various fin parameters on heat transfer and pressure drop performance of H-type finned tube bundle has been provided. It was concluded that from the studied parameters fin spacing and fin width had the most significant effect on tube bundle performance and the effect of fin thickness was the least important. Furthermore, the results suggested that the heat transfer performance would increase due to enhanced turbulence if the current double tube configuration is replaced with single tube configuration, but further investigation and experimental measurements are required in order to validate the results.

Soodakattilan vesi-höyrykierron simulointi

Työssä tutkitaan soodakattilan vesi-höyrykierron laskentaa APROS-simulointiohjelman avulla sekä mahdollisuutta rakentaa soodakattilalle oma mallikirjasto. Lisäksi tarkasteltiin mahdollisuuksia räätälöidä APROS:ista yrityksen omaa tarvetta vastaava simulointiohjelma. Kirjallisuusosuudessa esitellään soodakattilan rakenne pääpiirteittäin sekä APROS-simulointiohjelman ja Nowa-kiertolaskuohjelman laskentaperusteet. Tässä osuudessa kerrotaan myös yleisesti ohjelmien sisällöstä, rakenteesta sekä niiden käytöstä. Työn kokeellisessa osassa on kerrottu soodakattilan vesi-höyrykierron mallinnuksesta APROS:in avulla sekä mallikirjaston luomisen perusteet. Lisäksi tässä osuudessa kerrotaan alimallien tekemisestä ja niiden tarpeellisuudesta sekä simuloinnin ongelmakohdista. Työstä saatujen tulosten perusteella dynaamisen simuloinnin ja mallikirjaston avulla saadaan kiertolaskuja laskettua helposti ja luotettavasti. Alimallikirjastoa ylläpitämällä nopeutetaan kiertolaskuvariaatioden tekoa huomattavasti.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Gasification of Black Liquor as a Way to Increase Power Production at Kraft Pulp Mills

The study is focused on the opportunity to improve the power performance from black liquor at Kraft pulp mills. The first part of the paper includes an overview of a traditional recovery system, its development and indication of the integral drawbacks which provoke the search for more efficient methods of black liquor treatment. The second part is devoted to the investigation of black liquor gasification as a technology able to increase electric energy generation at pulp mills. In addition, a description of two most promising gasification processes and their comparison to each other are presented. The paper is based on a literature review and interviews of specialists in this field. The findings showed that while the modern recovery system meets demands of the pulp mills, pressurized oxygen-blown black liquor gasification has good potential to be used as an alternative technology, increasing the power output from black liquor.

SELLUTEHTAAN HÖYRYVERKON YLIJÄÄMÄENERGIAN HALLINNAN PARANTAMINEN

Tässä työssä on selvitetty sellutehtaan höyryverkosta tehtaan ulkopuolelle myytävän ylijäämähöyryn määrän ja paineen nopeaan vaihteluun vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu höyryn kehityksen ja kulutuksen vaihtelun vaikutusta ylijäämähöyryyn. Lisäksi on tarkasteltu mahdollisuuksia edellä mainittujen häiriöiden tasaamiseksi. Työssä on selvitetty teoriaa, joka vaikuttaa sellutehtaan höyryn kehitykseen ja kulutukseen. Lisäksi on selvitetty energiataselaskennan ja höyryverkon hallintaa parantavien toimenpiteiden teoriaa. Omana kokonaisuutena on sellutehtaan höyryn kehityksen ja kulutuksen tarkastelu sekä selvitys tehtaan höyryverkon hallinnan nykytilasta. Höyryverkolle on muodostettu energiatase. Työn tuloksia varten on kerätty ja tallennettu mittapistetietoa tiedonkeräysjärjestelmän avulla eri höyryverkon mittapisteistä. Työn tuloksina on mainittu useita höyryverkon hallintaa parantavia toteutuskelpoisia asioita ja toimenpiteitä. Työllä on luotu pohjaa menetelmälle, joka ohjaa energian kehitystä vastaamaan sellun tuotannon tarvitsemaa energiamäärää. Samalla saataisiin paremmin hallittua ylijäämähöyryä ja sen määrän sekä paineen vaihtelu vähentyisi.

Sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja kalkkikierron aukaisu.

Työssä selvitettiin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron eräiden virtojen vierasainepitoisuudet. Tavoitteena oli myös laatia kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä arvioida kalkkikierron aukaisun vaikutusta kierron vierasainetasoihin. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu sulfaattisellutehtaan kemikaalikiertoa ja sen osaprosesseja. Kirjallisuusosassa on keskitytty tarkastelemaan eri vierasaineiden käyttäytymistä kemikaalikierrossa. Lisäksi kalkkikierron prosesseja sekä kalkkikierron taselaskentaa on tarkasteltu. Kokeellisessa osassa määritettiin Metsä-Botnia Oy:n Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja verrattiin niitä muiden tehtaiden vierasainetasoihin. Kokeellisessa osassa selvitettiin myös ne prosessin kohdat, joihin vierasaineet rikastuvat. Lisäksi laadittiin kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä tehtiin arvio kalkkikierron vierasainetasojen ja kalkkikierron aukaisun välisestä korrelaatiosta. Tehtyjen määritysten perusteella Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan eräiden prosessivirtojen vierasainetasot ovat selvästi muiden Metsä-Botnian tehtaiden tasoja korkeammalla. Etenkin valkolipeän kaliumpitoisuus ja meesan fosforipitoisuus ovat korkeita. Kloridi rikastuu voimakkaasti soodakattilan lentotuhkaan ja fosfori rikastuu meesauunin sähkösuodinpölyyn. Laadittujen taseiden perusteella vierasaineista fosfori ja magnesium rikastuvat selvästi kalkkikiertoon. Niiden määrät kalkkikierrossa ovat huomattavasti suuremmat kuin muiden vierasaineiden määrät. Kalkkikierron fosforitasoa voidaan alentaa poistamalla kierrosta meesauunin sähkösuodinpölyä ja korvaamalla poisto make-up kalkilla. Tällöin muiden vierasaineiden määrä kalkkikierrossa kuitenkin kasvaa.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Alternative liquid biofuels for lime kilns

Causticizing plant is an important part of kraft pulp mill. It uses green liquor from recovery boiler as a raw material and consumes lime to produce white liquor, which is an important chemical used in pulping. Lime kiln is a part of the causticizing process. It is used to convert lime mud, a by-product obtained from the causticizing back to lime in high temperatures. This conversion requires a lot of energy. The most common fuels used as energy source for lime kiln are heavy fuel oil and natural gas. In a modern pulp mill lime kiln is the only user of significant amount of fossil fuels. Replacing fossil fuels with biofuels can have prominent economical and environmental benefits. Interest in using biofuels as energy source of lime kiln has become a worldwide issue in the recent years. However fuels used for lime kiln have a lot of certain requirements. The purpose of this work is to study the required characteristics from liquid fuels used in pulp mill lime kiln and to map suitable liquid biofuels already available in the markets. Also taxation of liquid biofuels compared to heavy fuel oil in Finland, Sweden and Germany is shortly introduced.