Sustainable Swedish Industry by Improved Excess Heat Recovery
(2022) KETM05 20221Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- Achieving a sustainable Swedish industry will require better utilization of resources already available and already spent. Nationally, vast amounts of heat are released into the atmosphere and not made use of. If only a fraction of this energy could be exploited, the path to net zero emission society by 2045 would be thousands of tons worth of CO2 closer. In Sweden, 25% of excess heat delivered to district heating has its origin in the pulp- and paper industry. The importance of this, is that it can be assumed that available excess heat can be delivered through existing infrastructure as district heating.
Research focused on Kraft method of pulp production, an energy intensive chemical pulping process with great potential for excess... (More) - Achieving a sustainable Swedish industry will require better utilization of resources already available and already spent. Nationally, vast amounts of heat are released into the atmosphere and not made use of. If only a fraction of this energy could be exploited, the path to net zero emission society by 2045 would be thousands of tons worth of CO2 closer. In Sweden, 25% of excess heat delivered to district heating has its origin in the pulp- and paper industry. The importance of this, is that it can be assumed that available excess heat can be delivered through existing infrastructure as district heating.
Research focused on Kraft method of pulp production, an energy intensive chemical pulping process with great potential for excess heat recovery. One of the key steps in Kraft pulp production is the chemical recovery of spent cooking chemicals, known as black liquor. The spent liquor has an initial water content of around 83 w/w% and needs to be concentrated to 15 w/w% water content, for chemicals to be recovered and burnt in the recovery boiler. Today, evaporation is done by multiple effect evaporators at a capacity of thousands of tons black liquor per day, making it one of the world’s most energy intensive processes.
Here, Helios Innovations AB novel evaporation technology is studied, and it is concluded that it is possible to evaporate black liquor using temperatures considered waste heat. Pilot and laboratory scale tests conclude that packing materials, used for mass and heat transfer, can withstand relevant conditions for long-time exposure. Tests reveal performance of vapor condensation rate with an average of 15-17% lower compared to pure water.
Large-scale design has potential of recovering 386 GWh/a thermal energy, saving up to 67 GWh/a of steam to power existing effects. Electricity savings of up to 42 GWh per year translate to cost savings on electricity be worth up to 14.7 MSEK/a. A Helios retrofit can potentially increase production capacity in evaporators by 6%. Potential energy savings can be translated to mitigated CO2 emissions of 26,700 tons/a. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- VAD SKA VI MED KYLTORN TILL?
Vad skulle kyltorn kunna ha med Sveriges hållbarhetsmål att göra? Enorma mängder energi går åt till att kyla processer och det är inte helt osannolikt att den går till kyltorn. Att kyla med kyltorn är effektivt, men värmen är bortkastad till luften. Om man kunde göra något med energin skulle det kunna liknas med en outnyttjad guldåder. Sverige följer åtagandet i Agenda 2030: netto-noll koldioxidutsläpp innan år 2045. Här är en viktig pusselbit, omställningen av tung industri, med ny teknik och energieffektiva processer.
Cirka en fjärdedel av spillvärmen* till svenska fjärrvärmenätet levereras från pappersmassaindustrin. Industrigrenen är en av världens mest energiintensiva och stora del av energin... (More) - VAD SKA VI MED KYLTORN TILL?
Vad skulle kyltorn kunna ha med Sveriges hållbarhetsmål att göra? Enorma mängder energi går åt till att kyla processer och det är inte helt osannolikt att den går till kyltorn. Att kyla med kyltorn är effektivt, men värmen är bortkastad till luften. Om man kunde göra något med energin skulle det kunna liknas med en outnyttjad guldåder. Sverige följer åtagandet i Agenda 2030: netto-noll koldioxidutsläpp innan år 2045. Här är en viktig pusselbit, omställningen av tung industri, med ny teknik och energieffektiva processer.
Cirka en fjärdedel av spillvärmen* till svenska fjärrvärmenätet levereras från pappersmassaindustrin. Industrigrenen är en av världens mest energiintensiva och stora del av energin slukas i processer som torkning av massa och indunstning** av sidoströmmar. Pappersmassatillverkning genererar en restström med brännbart material, kemikalier och vatten som går till återvinning. Vätskan kallas svartlut och återvinns med förbränning i en så kallad sodapanna. Från processen innehåller lösningen mycket vatten och måste koncentreras innan förbränning; en otroligt energikrävande uppgift.
Var kommer då kyltorn och ny teknik in i bilden?
Helios Innovations är ett start-up-bolag som utvecklat en ny teknik för koncentrering av vätskor. Tekniken utnyttjar till stor del principerna hos ett kyltorn, där recirkulerande luft möter mot en varm vätskeström. När vätskan och luften möts, kyls vätskan genom att en viss mängd vatten avdunstar spontant till luften. Ångan i luften kondenserar sedan ner till vätska då den kyls mot en kall yta.
Examensarbetet upprättades i frågan: kan Helios teknik använda lågtempererad värme som idag går till kyltorn för att indunsta svartlut?
Med svartlut från svenska pappersbruk har Helios teknik testats i en mindre pilotskala. Som referens kördes stora variationer av driftparametrar med vatten, för att jämföra hur tekniken presterar med svartlut i systemet. Resultat från testerna är lovande; tekniken klarar av rådande betingelser och indunstar svartlut med god kapacitet. Data tyder på att i genomsnitt 15–17% lägre kondenseringshastighet än för vatten kan förväntas. Tester av packningsmaterialet i laboratoriemiljö visar på god motståndskraft vid hög temperatur, även över längre tid.
Genom att ta vara på energi som skickas till kyltorn, beräknas 67 GWh energi potentiellt kunna sparas i befintliga processer. Besparingen kan också översättas till reducering av växthusgaser, där värme och el-besparingen kan uppgå till 26,700 ton CO2 per år, per bruk. Koldioxiden som nämns här, antas komma främst från förbränning av biomassa (lignin och svartlut), vilket räknas som en förnybar resurs. Pappersindustrin är stora exportörer av bland annat fjärrvärme och besparingar kan innebära mer förnybar värme och energi till Sveriges värmenät. Med det minskar behovet av fossila energikällor och Sverige kan ta ett stort kliv närmare hållbarhetsmålen.
*Spillvärme: värme som är av för låg kvalitet eller temperatur för att nyttjas och driva befintliga processer.
**Indunsta: processpråk för att förånga vatten i syfte att koncentrera vätskor till högre torrhalter. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9082379
- author
- Rosengren, Erik LU
- supervisor
-
- Ola Wallberg LU
- organization
- alternative title
- Low Temperature Evaporation of Black Liquor using Waste Heat
- Hållbar Svensk Industri Genom Förbättrad Spillvärme-återvinning: Indunstning av Svartlut vid låga temperaturer med Spillvärme
- course
- KETM05 20221
- year
- 2022
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Excess Heat Recovery, Black Liquor Evaporation, Pulp and Paper, Retrofit, Agenda 2030, Water Technology, Resource Management, Waste Heat, Technical Validation, Chemical Engineering, Water Savings, Energy Efficiency, Greenhouse Gas mitigation, Spillvärme, Indunstning, Svartlut, Pappersmassaindustri, Energieffektivisering
- language
- English
- id
- 9082379
- date added to LUP
- 2022-06-08 14:23:51
- date last changed
- 2022-06-08 14:23:51
@misc{9082379,
abstract = {{Achieving a sustainable Swedish industry will require better utilization of resources already available and already spent. Nationally, vast amounts of heat are released into the atmosphere and not made use of. If only a fraction of this energy could be exploited, the path to net zero emission society by 2045 would be thousands of tons worth of CO2 closer. In Sweden, 25% of excess heat delivered to district heating has its origin in the pulp- and paper industry. The importance of this, is that it can be assumed that available excess heat can be delivered through existing infrastructure as district heating.
Research focused on Kraft method of pulp production, an energy intensive chemical pulping process with great potential for excess heat recovery. One of the key steps in Kraft pulp production is the chemical recovery of spent cooking chemicals, known as black liquor. The spent liquor has an initial water content of around 83 w/w% and needs to be concentrated to 15 w/w% water content, for chemicals to be recovered and burnt in the recovery boiler. Today, evaporation is done by multiple effect evaporators at a capacity of thousands of tons black liquor per day, making it one of the world’s most energy intensive processes.
Here, Helios Innovations AB novel evaporation technology is studied, and it is concluded that it is possible to evaporate black liquor using temperatures considered waste heat. Pilot and laboratory scale tests conclude that packing materials, used for mass and heat transfer, can withstand relevant conditions for long-time exposure. Tests reveal performance of vapor condensation rate with an average of 15-17% lower compared to pure water.
Large-scale design has potential of recovering 386 GWh/a thermal energy, saving up to 67 GWh/a of steam to power existing effects. Electricity savings of up to 42 GWh per year translate to cost savings on electricity be worth up to 14.7 MSEK/a. A Helios retrofit can potentially increase production capacity in evaporators by 6%. Potential energy savings can be translated to mitigated CO2 emissions of 26,700 tons/a.}},
author = {{Rosengren, Erik}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Sustainable Swedish Industry by Improved Excess Heat Recovery}},
year = {{2022}},
}