Energy efficiency improvement potential in a paper mill by means of heat load balancing

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-01-23
Department
Major/Subject
Energiatekniikka
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
68 + 11
Series
Abstract
Industry is one of the largest energy consuming sectors creating a great environment for energy efficiency improvements. Thermal energy storage might be one of the attractive technologies for energy efficiency improvements in heat production because it is flexible in heat load balancing. This study analysed the improvement potential of the energy efficiency at a paper mill located in the Northern Europe. The mill mainly uses mechanical pulping for papermaking. Process heat is produced in a power plant combusting biomass and natural gas as a main fuels. The first aim of this study is to identify potential improvements and limitations when natural gas usage is decreased at the mill by replacing it with biomass and steam load fluctuations are balanced using a heat storage for steam (Case 1). The second main goal of this study is to determine potential improvements and limitations if excess heat produced in the summer is stored in a long term heat storage (Case 2). In both cases, heat storage options are compared to an option that uses drying of biomass instead of the heat storage. Cases are assessed by evaluating technical feasibility and economic savings of the options. Evaluations of the heat storage and drying options are based on simulation models using data that was recorded at the mill. Case 1 is simulated in three scenarios: Scenario A (20% decrease in natural gas usage), Scenario B (40% decrease in natural gas usage) and Scenario C (60% decrease in natural gas usage). This study concluded that steam accumulators offer more feasible option for balancing the heat load than belt dryers in Case 1. Furthermore, scenario B (40% decrease in natural gas usage) seems to be the most feasible scenario for steam accumulator in Case 1. In Case 2, the belt dryer option provides better operational characteristics for utilizing excess hot water than the hot water tank storage option with annual savings of 0.158M€.

Teollisuus on yksi suurimmista energiaa kuluttavista sektoreista, mikä luo hyvät mahdollisuudet energiatehokkuuden parantamiselle. Hyödyntämällä lämpövarastoja voidaan mahdollisesti parantaa energiatehokkuutta lämmöntuotannossa, koska lämpövarastot ovat joustavia lämmöntuotannon ja -kulutuksen tasaamisessa. Työssä analysoitiin energiatehokkuuden parantamispotentiaalia Pohjois-Eurooppalaisessa paperitehtaassa, joka käyttää mekaanista massaa paperin valmistukseen. Prosessihöyry tuotetaan voimalaitoksessa polttamalla biomassaa ja maakaasua pääpolttoaineina. Työn ensimmäisenä päätavoitteena on määrittää potentiaaliset hyödyt ja rajoitteet, kun maakaasun käyttöä vähennetään lisäämällä biomassan osuutta höyryntuotannossa ja lämpövarastolla tasataan höyrykuorman vaihtelut (Case 1). Toisena tavoitteena on arvioida potentiaaliset hyödyt ja rajoitteet, jos kesäisin tuotettu hukkalämpö varastoitaisiin lämpövarastoon (Case 2). Molemmissa tapauksissa lämpövaraston käyttöä verrataan tilanteeseen, jossa biomassan kuivausta hyödynnetään lämpövaraston sijasta. Tapauksia arvioidaan teknisen toteutettavuuden ja taloudellisten säästöjen perusteella. Lämpövarasto- ja kuivausvaihtoehtojen arviointi perustuu työssä tehtyihin simulointimalleihin, joissa käytettiin paperitehtaalla mitattua dataa. Höyrykuorman tasausta (Case 1) tarkasteltiin kolmessa eri tilanteessa, joissa maakaasun käyttöä vähennettiin 20% (Scenario A), 40% (Scenario B) ja 60% (Scenario C). Tulosten perusteella höyryakku on toteutettavuudeltaan ja taloudellisilta säästöiltään parempi vaihtoehto höyrykuorman tasauksessa (Case 1) kuin kuljetintyyppinen kuivuri. Lisäksi, 40 % vähennys maakaasun käytössä (Scenario B) näyttäisi olevan paras tapaus höyryakun käytölle. Kuljetintyyppinen kuivuri on toteutettavuudeltaan parempi vaihtoehto kuin lämpöakku hukkalämmön hyödyntämiseen (Case 2). Sillä saavutettiin 0.158 M€ vuosittaiset säästöt.
Description
Supervisor
Ahtila, Pekka
Thesis advisor
Holmberg, Henrik
Seppälä, Ari
Keywords
thermal energy storage, drying, phase change material, mechanical pulp
Other note
Citation