Comparison of Recovery Boiler Thermal Efficiency Calculation Methods

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-11-29

Department

Major/Subject

Energia- ja konetekniikka

Mcode

ENG4000

Degree programme

Insinööritieteiden kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

27

Series

Abstract

Pulp and paper is a prominent field of industry in Finland. Finland has a long history in pulping industry, which has led Finnish pulping machinery manufacturers to have a significant market share in pulp mill design and manufacturing. In a pulp mill resides a plant called recovery boiler which objective is the regeneration of used chemicals, energy production for pulp mill in the form of steam and burning of waste chemicals. Recovery boilers provide self-sufficiency in energy for the pulp mill and enable the sale of excess green energy. However, increasing the steam production of a recovery boiler decreases the reduction efficiency of the recovery boiler. This sets the need for optimization between steam production and reduction efficiency. This bachelor’s thesis examines thermal efficiency calculation methods from previous literature and common EN and ASME standards. The calculation methods are applied to recovery boiler efficiency simulation and optimization. Objective of the optimization was to find best parameters for efficiency. Optimization parameters were reduction efficiency, combustion air temperature, feed water preheating power and black liquor dry solids. Optimization was performed with dimensioning software provided by ANDRITZ Oy and Excel. It was discovered that calculation methods provided by the standards only consider steam generation as useful energy by the definition. The calculation methods were modified to consider the energy used in reduction as useful energy. Selected calculation methods were applied to three different recovery boilers to calculate the efficiency. Calculation resulted in greater efficiency in larger boilers with greater dry solids. Best efficiencies were presented by calculation methods which consider reduction heat as beneficial. Optimization resulted in different operation parameters depending on the calculation method. Optimization proposed changes to boiler parameters resulted in better thermal efficiency but changes to boiler are most likely uneconomic. Conclusion of the thesis is to use the direct efficiency calculation method, which calculates efficiency from steam generation and considers energy used in reduction as beneficial, in recovery boiler efficiency calculation. Forementioned method presents the efficiency of a recovery boiler more realistically and increases the presented efficiency when comparing with EN and ASME standards. Increase in presented efficiency increases attractiveness of a recovery boiler in the client’s point of view.

Sellu- ja paperiteollisuus on merkittävä teollisuuden ala Suomessa. Suomalainen historia selluteollisuuden saralla on johtanut suomalaisten konepajojen mittavaan markkinaosuuteen sellutehtaiden valmistuksessa. Sellutehtaaseen kuuluu laitos nimeltään soodakattila, jonka tehtävänä on käytettyjen keittokemikaalien regenerointi, energiantuotanto laitokselle höyryn muodossa sekä jätekemikaalien poltto. Soodakattila mahdollistaa sellutehtaalle energiaomavaraisuuden sekä ylijäämäenergian myynnin markkinoilla. Kuitenkin höyryntuotannon kasvattaminen soodakattilassa vähentää soodakattilan reduktiotehokkuutta, joka on soodakattilan päätehtävä. Tämä asettaa tarpeen optimoinnille höyryntuotannon ja reduktiotehokkuuden välillä. Tässä kandidaatintyössä käsitellään soodakattilan termisen hyötysuhteen laskentaa. Työssä tarkastellaan hyötysuhteen laskentamenetelmiä aiemman kirjallisuuden sekä yleisten EN- sekä ASME-standardien avulla. Työssä sovelletaan hyötysuhteen laskentamenetelmiä soodakattilan hyötysuhteen optimointiin, jotta löydettäisiin parhaan hyötysuhteen tuottavat parametrit. Parametreinä olivat reduktiotehokkuus, palamisilman lämpötila, syöttöveden esilämmityksen teho ja mustalipeän kuiva-ainepitoisuus. Optimointi tapahtui ANDRITZ Oy:n kattilan mitoitusohjelmalla sekä Excelillä. Havaittiin, että standardit huomioivat hyötysuhteen määritelmissään vain höyryntuotannon hyötyenergiaksi, mikä ei kuvaa realistisesti soodakattilaa. Standardien laskentamenetelmiä sovellettiin ottaen huomioon soodakattilan tärkeimpään tehtävään, kemialliseen reduktioon, käytettävä energia. Valittuja laskentamenetelmiä sovellettiin kolmeen erikokoiseen soodakattilaan ja havainnoitiin laskentamenetelmien eroja. Havaittiin, että hyötysuhde on parempi suuremmissa, korkeamman kuiva-ainepitoisuuden kattiloissa. Optimointi eri hyötysuhteen laskentamenetelmien kohdalla johti erilaisiin soodakattilan parametreihin, riippuen laskentamenetelmästä. Optimoinnissa havaittiin myös, että ehdotetut muutokset kattilaan olisivat termisen hyötysuhteen kannalta positiivisia, mutta muutokset ovat erittäin todennäköisesti taloudellisesti kannattamattomia. Työn johtopäätöksenä on, että soodakattilan hyötysuhteen laskennassa suositellaan käytettävän työssä laadittua hyötysuhteen suoraa laskentamenetelmää, joka ottaa reduktiotehokkuuden huomioon ja laskee hyötysuhteen suoraan höyryntuotannosta. Kyseinen hyötysuhteen laskentamenetelmä kuvaa realistisemmin soodakattilan todellista tehokkuutta sekä parantaa esitettävää hyötysuhdetta verraten EN- ja ASME-standardeihin, mikä lisää soodakattilan houkuttelevuutta asiakkaan näkökulmasta.

Description

Supervisor

Holmberg, Henrik

Thesis advisor

Holmberg, Henrik

Keywords

recovery boiler, thermal efficiency, standards, optimization

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501211451

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG