Mass and energy balances over the lime kiln in a kraft ... 461011/ and energy balances over the lime kiln in a kraft ... balance over the kiln where the energy for calcination, drying

  • View
    224

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of Mass and energy balances over the lime kiln in a kraft ... 461011/ and energy balances over the lime...

  • UPTEC ES09 004

    Examensarbete 20 pApril 2009

    Mass and energy balances over the lime kiln in a kraft pulp mill

    Per Lundqvist

  • Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

    Besksadress: ngstrmlaboratoriet Lgerhyddsvgen 1 Hus 4, Plan 0

    Postadress: Box 536 751 21 Uppsala

    Telefon:018 471 30 03

    Telefax: 018 471 30 00

    Hemsida:http://www.teknat.uu.se/student

    Abstract

    Mass and energy balances over the lime kiln in a kraftpulp mill

    Per Lundqvist

    This report describes the construction of a model that calculates mass- and energybalances over the lime kiln in a kraft pulp mill. The model was implemented inFORTRAN to serve as the lime kiln block in the WinGEMS simulation software. Themass balance is based on a number of user specified parameters as well as chemicalrelations found in the literature. A general method to approach the differentconcentrations and mass flows when constructing a WinGEMS block is also includedin the report. In the energy balance the fuel consumption of the lime kiln is calculated.The model is equipped to handle up to three different fuels at a time whichcompositions and heating values may either be specified by the user or calculated bythe model. Methods to approximate heating values and adiabatic flame temperaturesare presented. The fuel consumption is calculated analytically by establishing an energybalance over the kiln where the energy for calcination, drying as well as the heatenergy of the in- and outgoing streams is accounted for. To calculate the heat energyof the different streams, polynomials were used to describe the temperaturedependent heat capacities of the different components. The polynomials were fittedto thermodynamic data from the literature. Examples on how the heat rate of the kilnis affected when changing different parameters are shown. Two kinds of simulationswere also performed with the lime kiln model. In the first simulation the possibleeffects of increased intake of non-process elements with the use of bio fuels arestudied. In the second simulation the amounts of energy that may be retrieved fromthe flue gases when combining a more efficient lime mud filter with an external dryeris studied.

    ISSN: 1650-8300, UPTEC ES09 004Examinator: Ulla Tengbladmnesgranskare: Bengt CarlssonHandledare: Rickard Wadsborn, Niclas Berglin

  • Preface

    This Master thesis was carried out at STFI-Packforsk in Stockholm. I would like to express my gratitude towards the people who have helped me with this work. Special thanks to Rickard Wadsborn who has been my main source of support and guidance in the daily work with the lime kiln model. I also wish to thank Niclas Berglin and Hans Theliander at STFI-Packforsk as well as Bengt Carlsson at Uppsala University.

  • Sammanfattning

    Syften med examensarbetet r att skapa en modell av en mesaugn som berknar mass- och energibalanser ver processen. Modellen ska kunna integreras i simuleringar av stora fabrikssystem i programvaran WinGEMS. Frutom att leverera rimliga berkningar r drfr anvndbarhet och driftskerhet viktiga faktorer i arbetet med modellens utformning.

    Mesaugnen anvnds inom sulfatprocessen, vilken r den vanligaste processen fr tillverkning av kemisk pappersmassa. I sulfatprocessen kokas veden i en kemikalieblandning vilket lsgr fibrerna frn ligninet och gr dem till pappersmassa. De anvnda kemikalierna tillsammans med ligninet frs sedan genom en tervinningscykel fr att terskapa kokkemikalierna samt utvinna energin i ligninet. Mesaugnen r en del av denna tervinningscykel och har till uppgift att omvandla mesa (CaCO3) till brnt kalk (CaO) genom kalcinering:

    )()()( 23 gCOsCaOsCaCO

    vrme + En mesaugn r normalt en liggande cylinder som roterar lngs sin egen axel och vars lutning fr det fasta materialet att rra sig framt i ugnen. Fuktig mesa frs in i den hgre nden varp materialet p sin vg genom ugnen torkas, vrms upp, kalcineras och sintrar (bildar strre partiklar). Vrme tillfrs ugnen frn en brnnare placerad i ugnens motsatta nde. Energi verfrs frn frbrnningsgaserna till det fasta materialet medan de rr sig i motsatt riktning gentemot varandra. Mesaugnen kan drmed liknas vid en motstrms direktkontaktvrmevxlare.

    De flesta av dagens mesaugnar anvnder naturgas eller eldningsolja som brnsle. Moderna brnnare ger dock mjlighet till stor flexibilitet och de flesta sorters brnslen kan anvndas. De biobrnslen som r intressantast r dels restprodukter frn processen t.ex. metanol och tallolja eller billigare fasta brnslen som bark eller trpulver.

    Modellens materialbalanser utgr till stor del frn ett antal parametrar som specificeras av anvndaren. Bland annat s r det mjligt att specificera hur stor del av kalciumkarbonatet som omvandlas till kalciumoxid (kalcineringsgrad) och hur stor del av kalket som blir verbrnt. Antagelser om natrium- och svavelfreningarnas beteende inuti mesaugnen har gjorts efter litteraturstudier. Nr det gller emissionerna av svaveldioxider s har litteraturstudier av experiment med frbrnning av svavelhaltiga gaser anvnts fr att kunna kvantifiera emissionerna som en funktion av mngd ingende svavel i ugnen.

    Mesaugnsmodellen berknar en brnslefrbrukning utifrn den ingende mesastrmmen samt specifikationer frn anvndaren. Upp till tre olika brnslen kan anvndas, varav ett alltid mste vara ospecificerat i massflde, eftersom detta berknas av modellen. Vad gller brnslesammansttningen s kan anvndaren antingen specificera denna sjlv eller anvnda standardsammansttningar fr olika brnslen. Vrmevrdet kan ocks antingen specificeras eller approximeras av modellen utifrn sammansttning och brnslespecifikation. Modellen berknar ven

  • den adiabatiska flamtemperaturen, som r ett teoretiskt mtt p lgans temperatur fr ett specifikt brnsle.

    Energifrbrukningen berknas analytiskt av modellen efter en vrmebalans som utgr frn att den energi som kommer ut frn ugnen r lika stor som den som kommer in. En referenstemperatur p 25C har antagits vid berkningarna. De stora energiposterna r den fr kalcinering och torkning men en del energi r ven kvar i utgende rkgaser och det fasta materialet i form av vrme. Vrmeenergin har berknats med hjlp av vrmekapacitetspolynom som har anpassats till data fr vrmekapaciteter vid olika temperaturintervall.

    Fr att kunna f fram ett uttryck som gr det mjligt att berkna brnslefrbrukningen analytiskt r det ndvndigt att separera p de delar av rkgaserna som r beroende av brnslet och de delar som inte r det. Energin frn det eller de brnslen vars massflde var specificerats mste ven dras bort frn den totala energifrbrukningen fr att berkna det ospecificerade brnslefldet.

    Tv olika simuleringsfrsk har ven genomfrts med mesaugnsmodellen. I det frsta frsket undersktes vad det kade intaget av t.ex. kisel och fosfor med biobrnslen skulle kunna har fr effekt p processen. Nr koncentrationen av dessa blir fr hga bildar de kalciumfreningar vilket dels minskar mngden fritt CaO som kan bildas och dels utgr ballast i processen. Fr att frhindra en ackumulering av dessa mnen kan mer mesa behva dumpas och ersttas med inkpt kalk. Simuleringarna visar att detta kan bli ett problem om bark med hg fosforhalt anvnds som brnsle. Ekonomiska verslagsberkningar visar dock att kostnaden fr kat kalkinkp frmodligen kan uppvgas av lgre brnslekostnader.

    Det andra simuleringsfrsket undersker mjligheterna att utvinna energi ur mesaugnens rkgaser om torrhalten p mesan kar samt en extern tork anvnds. Endast en kning av mesans torrhalt ger inga strre energivinster eftersom det genererar varmare rkgaser. Om ngon form av vrmevxlare kunde installeras mellan mesaugnen och den externa torken skulle dock hgvrdig energi kunna anvndas fr ngproduktion medan den lgvrdiga energin anvndes fr torkning. Simuleringarna visar t.ex. att ca 24 % av energin kan tervinnas om torrhalten hjs frn 70 % till 85 % samtidigt som rkgastemperaturen efter torkningen snks frn 250C till 150C. Detta motsvarar ca 256 MJ/ton massa eller 35,6 GWh per r fr en fabrik som tillverkar 500 000 ton massa rligen.

  • Table of content

    1. INTRODUCTION ..............................................................................................................................1

    2. THEORY.............................................................................................................................................2

    2.1 KRAFT COOKING AND THE RECOVERY CYCLE.........................................................................2 2.2 LIME REBURNING ...................................................................................................................4

    2.2.1 Dusting .............................................................................................................................6 2.2.2 Ring formation..................................................................................................................6 2.2.3 Energy efficiency ..............................................................................................................6 2.2.4 Flash drying......................................................................................................................7 2.2.5 Fuels .................................................................................................................................7 2.2.6 Fuel parameters................................................................................................................8 2.2.7 Formation of NOX .............................................................................................................9

    2.3 NON-PROCESS ELEMENTS IN THE LIME CYCLE ........................................................................9 2.3.1 Sulfur .............................................................................................................