<p>Heat and power stations are often in need of optimizations. A simulation model is a tool for findingways to optimize the plant. The scope of this diploma work is to develop a simulation model ofBoiler 5 at Mälarenergi AB. Boiler 5 is a circulated fluidized bed boiler that was taken into service inyear 2001. Among the included parts in the boiler are cyclone, convection part andINTREX-chambers. The software that was used for the simulation was SimTech’s IPSEpro. IPSEprois a heat and mass balance software for steady state calculations. The program comes with a set ofmodules in a library called APP_lib which contains modules such as preaheaters, pump, boiler andturbine stages. The user can however design own modules in the Model Development Kit, since thelibrary code is open source. The development of the simulation model started with an updating of anold model from year 2003. Values provided from Foster Wheeler where then used to make the modelcalculate in a right way. Thereafter some calculations of the super heaters’ heat transfer coefficientswere made. The coefficients were then translated into IPSEpro’s own programming language ModelDescription Language, and were put into the model’s modules. The results were compared with realvalues from the plant’s system. It showed that the calculated values needed more investigations to bemore accurate. The conclusion was that the final model needs more equations to describe the plant in amore realistic way.</p>

Heat and power stations are often in need of optimizations. A simulation model is a tool for findingways to optimize the plant. The scope of this diploma work is to develop a simulation model ofBoiler 5 at Mälarenergi AB. Boiler 5 is a circulated fluidized bed boiler that was taken into service inyear 2001. Among the included parts in the boiler are cyclone, convection part andINTREX-chambers. The software that was used for the simulation was SimTech’s IPSEpro. IPSEprois a heat and mass balance software for steady state calculations. The program comes with a set ofmodules in a library called APP_lib which contains modules such as preaheaters, pump, boiler andturbine stages. The user can however design own modules in the Model Development Kit, since thelibrary code is open source. The development of the simulation model started with an updating of anold model from year 2003. Values provided from Foster Wheeler where then used to make the modelcalculate in a right way. Thereafter some calculations of the super heaters’ heat transfer coefficientswere made. The coefficients were then translated into IPSEpro’s own programming language ModelDescription Language, and were put into the model’s modules. The results were compared with realvalues from the plant’s system. It showed that the calculated values needed more investigations to bemore accurate. The conclusion was that the final model needs more equations to describe the plant in amore realistic way.

Pappers- och massaindustrin är stor i Sverige och dess produkter konsumeras vid hög grad. Eftersom industrin är omfattande och energikrävande är det viktigt att energianvändningen kan optimeras så långt som möjligt. I detta examensarbete utförs en utredning gällande en sodapanna och dess utgående ångtemperatur.  Sodapannan tillhör Mondi Dynäs och utmaningen består i att ångtemperaturen ska ökas från pannan för att maximera energiproduktionen i turbinen, vilket förser hela fabriken med elektricitet och ånga. I dagsläget arbetar sodapannan vid ett tryck på 64,2 bar och 485°C. En ökning av temperaturen och därmed en ökning av entalpin kommer i sin tur möjliggöra ökad elproduktion. Syftet med arbetet är att ta fram förslag till åtgärder som kan implementeras för att öka den utgående ångtemperaturen, samt att lokalisera de komponenter som begränsar temperaturen.     Best Avaliable Techniques (BAT-villkor) för pappersproduktion beskriver hur en sodapanna kan effektiviseras gällande värmeöverförande ytor och elproduktion och dessa punkter användes som vägledning i studien. Med BAT och dess punkter om hur förbättringar kan implementeras samt uppgifter från Mondi Dynäs egna anställda kunde fokus läggas på överhettarna och dess design samt lasten på pannan.    Litteraturstudier utfördes gällande att effektivisera sodapannan och tyngden lades på materialval av överhettartuber för att motverka korrosion och designen av dem. Överhettaren står för 30% av värmeöverföringen och är avgörande för sluttemperaturen av ångan. Därefter gjordes beräkningar för att avgöra om sodapannan är lastad enligt design. Resultatet av studien visar att de föreslagna åtgärderna kan öka ångtemperaturen med 5% vilket motsvarar i en ökning av elproduktion motsvarande 20 miljoner kronor för spotpriset 2023. Studien fastställer även att tubmaterialen som idag används för överhettarna inte är optimala vilket påverkar värmeöverföringen och därmed utgående ångtemperatur, därför rekommenderas nya materialval. Svartlutstillförseln till pannan analyserades också med resultat att den är marginellt underlastad. / The paper and pulp industry is significant in Sweden, with its products being in high demand. Due to the extensive and energy-intensive nature of the industry, optimizing energy usage is crucial. This thesis focuses on investigating a recovery boiler and its outgoing steam temperature. The recovery boiler belongs to Mondi Dynäs, and the challenge is to increase the steam temperature from the boiler to maximize energy production in the turbine, which supplies electricity and steam to the entire factory. Currently, the recovery boiler operates at a pressure of 64.2 bar and 485°C. Increasing the temperature and consequently the enthalpy will enable increased electricity production. The objective of this work is to propose measures that can be implemented to increase the outgoing steam temperature and identify the components limiting the temperature.   The Best Available Techniques (BAT) for pulp production describe how a recovery boiler can be optimized in terms of heat transfer surfaces and electricity production. These points were used as guidance in the study. With BAT and input from Mondi Dynäs employees, the focus was placed on the superheaters and their design, as well as the load on the boiler.   Literature studies were conducted to enhance the recovery boiler, with emphasis on the material selection of superheater tubes to prevent corrosion and their design. The superheater accounts for 30% of heat transfer and is crucial for the final steam temperature. Calculations were then performed to determine if the recovery boiler is loaded according to design.   The results of the study indicate that the proposed measures can increase the steam temperature by 5%, corresponding to an increase in electricity production worth 20 million SEK for the spot price in 2023. The study also establishes that the currently used tube materials for the superheaters are not optimal, affecting heat transfer and the outgoing steam temperature. Therefore, new material choices are recommended. The black liquor supply to the boiler was also analysed, revealing a marginal underload.

Superheaters suffer large material loss during combustion of waste and biomass, causing a short life time for these expensive components. During combustion, corrosive ash particles are formed and erosion is caused by circulating bed material and sand particles, all contributing to the material loss. This study examines whether corrosion or erosion has the largest effect on this material loss by investigating two superheaters in loop seal during biomass and waste combustion of an 85 MW, Circulating Fluidized Bed (CFB) boiler in Händelö. The samples were investigated by SEM/EDX and XRD with regard to material loss and corrosion products. The superheaters have different thermal conditions since the material temperature in the first superheater that the steam passes is lower than in the one that comes after. In this report, a model to determine the tube temperature in steam boiler superheaters is also described due to the fact that the local tube temperature is of great importance of condensation of corrosive gases such as KCl and NaCl. Material loss was significantly greater on the cooler superheater compared with the warmer. The material temperatures on the outside of the tubes, were calculated to be about 574 °C for the cooler superheater and about 617°C for the warmer superheater. Overall, all analyzes showed low levels of corrosive substances, although there was a certain corrosion tendency, which indicates that material loss of the superheaters is caused by corrosion-assisted erosion. Lower material temperature of the superheater resulted in a higher degree of condensation of corrosive species such as alkali chlorides, which might have accelerated the erosion. The conclusion is that the dominant mechanism of material loss on the superheaters is erosion.

The industrial sector in Sweden stands for 38 percent of the total energy use. Within these 38 percent the pulp and paper industry stand for about half of the energy use. Due to the extent of the energy use it is important that we do what we can to keep the energy usage as low as possible within our industries. In this bachelor thesis a case study is performed regarding a problem with a recovery boiler which belong to one of Stora Ensos pulp mills in a small town called Skutskär in Sweden. The problem with the recovery boiler is that it does not reach the temperature of the outgoing steam for which the soda boiler was designed, which causes the efficiency to suffer. The problem with the recovery boiler is not sustainable either in terms of energy use or economy. Recovery boiler 6 (RB6) as it is called is one of two recovery boilers belonging to the pulp mill. Both boilers are designed to produce high pressure steam at 56 bar and 450°C. The high-pressure steam produced goes through a back-pressure turbine where the pressure is lowered to the working pressure of the remaining factory while electricity is produced. Steam at a lower temperature results in lower enthalpy, which in turn will affect the electricity generation in the back-pressure turbine. The purpose of the study is to quantify the loss in electricity generation caused by the lack of steam temperature of RB6. As well as investigating the causes of the lack of heat transfer where the goal is to locate the problem area. A literature study was conducted regarding the efficiency of the recovery boiler, where much emphases was placed on the function of the superheater and the soot system. The superheater accounts for about 30 percent of all heat transfer in a recovery boiler and is directly crucial for reaching the final temperature of the steam. In the literature study, among other things, the design and fouling of superheater is studied to see that if affects the heater transfer. Further, the soot system effect on the heat transfer is also studied and it shows that the soot system has a greatly influence of the final heat transfer. The method used to conduct the study is primarily data analysis. The pulp mills internal analysis program WinMops is used in combined with Excel to analyze operational data. First, the magnitude of the problem was investigated by calculating the effect of RB6’s lack of steam temperature on the total enthalpy of the steam reaching the turbine. Calculations were made for electricity generation in normal cases and under the influence of RB6, where the difference was considered as lost electricity generation. Once the size of the problem was determined, the investigation of causes of heat transfer began, with the superheater coming into focus. The results of the case study show that RB6’s lack of steam temperature causes a loss of electricity production equivalent to 7 million SEK in a normal year and a year with a low electricity price, this amount to 3 million SEK. Whit regard to the second investigation, it is very likely that the superheater causes the temperature drop. However, the study shows that the superheater has no smaller heat transfer surface in relation to the other recovery boiler and that the heat transfer rate is also not deviant. The superheater shows a hint of fouling at the same time as the flow of soot steam is slightly lower on RB6, unlike the mill’s other recovery boiler. An interesting phenomenon that emerges in the study is that the tertiary air flow tends to have a greater effect on RB6 outgoing steam flow than expected. / Industrisektorn står för omkring 38 procent av Sveriges totala energianvändning. Av de 38 procenten står pappers- och massaindustrin för omkring hälften av all energianvändning. Eftersom industrin är en omfattande del gällande energianvändningen är det viktigt att åtgärder utförs för att hålla energianvändningen så låg som möjligt. I detta examensarbete utförs en fallstudie gällande ett problem med en sodapanna som tillhör Stora Ensos massabruk i Skutskär. Problematiken med sodapannan är att den inte når upp i den temperaturen på utgående ångan som sodapannan designades för vilket gör att verkningsgraden blir lidande. Problemet med sodapannan är inte hållbart både sett till energianvändning eller ekonomi. Sodapanna 6 (SP6) som den kallas är en av två sodapannor som tillhör massabruket. Båda sodapannorna är designade för att producera högtrycksånga vid 56 bar och 450°C. Högtrycksångan som produceras går via en mottrycksturbin där trycket sänks till arbetstrycken för resterande fabriken samtidigt som el produceras. Ånga vid lägre temperatur medför lägre entalpi vilket i sin tur kommer att påverka elproduktionen i motrycksturbin. Syftet med studien är att kvantifiera förlusten i elproduktion som den bristande ångtemperaturen av SP6 orsakar. Utöver det är syftet även att utreda orsaker till den bristande värmeöverföringen där målet är att lokalisera problemområdet. En litteraturstudie utfördes gällande effektivitet kring sodapannan varvid mycket tyngd lades på överhettarens samt sotningens funktion. Överhettaren står för omkring 30 procent av all värmeöverföring i en sodapanna och är direkt avgörande för att nå sluttemperaturen på ångan. I litteraturstudien studeras bland annat utformning och försmutsning av överhettaren för att se hur det påverkar värmeöverföringen. Vidare studeras sotningens påverkan på värmeöverföringen och även den påverkar i stor grad den slutgiltiga värmeöverföringen. Metoden som används för att genomföra studien är framförallt dataanalys. Massabrukets interna analyseringsprogram WinMops används tillsammans med Excel för att kunna analysera driftdata. Först utreddes storleken på problemet med hjälp av att beräkna hur stor påverkan SP6 bristande ångtemperatur har på den totala entalpin på ångan som når turbin. Beräkningar utfördes för elproduktion vid normalfall och vid påverkan av SP6 varvid skillnaden betraktades som den förlorade elproduktionen. När problemets storlek var fastställt började utredningen kring orsaker till bristande värmeöverföring varvid överhettaren hamnade i fokus. Studiens resultat visar att SP6 bristande ångtemperatur orsakar en elproduktionsförlust som motsvarar 7 miljoner kronor ett normalår och ett år med lågt elpris rör det sig om 3 miljoner kronor. Gällande den andra utredningen är det med stor sannolikhet överhettaren som orsakar temperaturfallet. Däremot visar studien att överhettaren inte har någon mindre värmeöverförande yta i förhållande till den andra sodapannan samt att värmeöverföringstalet är inte heller avvikande. Överhettaren visar en antydan på försmuttning samtidigt som sotångflödet är något lägre på SP6 till skillnad från brukets andra sodapanna. Intressant fenomen som dyker upp i studien är att tertiärluftflödet tenderar att ha en större påverkan på SP6 utgående ångflöde än förväntat.

The EU waste hierarchy includes energy recovery facilities where waste is used as fuel in combined heat- and powerplants. When waste is incinerated can the thermal energy be used in for example, district heating networks and or electricity generation. The purpose of the degree project is to make a pre-study of Heat Management's system solution HISS, optimization of steam soot blowing at Mälarenergi's waste boiler. Waste is a heterogeneous fuel that typically contains a variety of substances such as alkali, chlorine and heavy metals that often contribute to fouling on heat transfer surfaces. These coatings reduce the efficiency of heat transferring surfaces such as superheaters. Cleaning by soot blowing using steam is done at regular intervals to maintain efficiency. Superheater cleaning on the Block 6 is done by retractable rotating soot blowers equipped with a nozzle from where steam is sprayed out at pressure of 25 bar. The blowers are inserted one at a time in a sequence, which means that they wait for the previous blower before the next one can enter. Steam is taken from the main process, which leads to reduction in load on the turbine and causes wear during the sweeping process due to the high impact force. This can lead to erosive damage and thinning of the material on the tubes, thus shortening the lifespan of the superheaters. The optimisation adjusts the soot sequence so that full steam pressure is used only in one direction of travel of the lance, this allows an overlapping soot sequence to be used and thus halves the time required for sooting. Analysis of shorter sooting time and reduced steam consumption based on production data and case studies has led to the following results. The energy consumption of the auxiliary power is reduced by 14.25 MWh per sweeping sequence and 7 115.5 MWh annually. The turbine can produce 2.51 MWh more electricity per sweeping as the time it runs at reduced load is reduced, totalling 1 254.39 MWh in one year. 24.03 tonnes of steam are saved per sweeping and 12 003 tonnes in one year. Payback time for the optimisation is 1.01 years based on an average spot price from Mälarenergi's budgeting from last year. Considering current electricity prices could the payback time be further reduced. The conclusion from the pre-study is that the optimisation as the investment is economically viable and has other positive benefits such as: steadier steam flow and reduced pressure surges. Wear and tear on superheaters are reduced as they are only sprayed with high pressure once instead of twice per sweeping sequence. / I EU:s avfallshierarki ingår energiåtervinningsanläggningar där avfall används som bränsle i förbränningsanläggningar. Vid förbränning utav avfall så kan den utvunna termiska energin användas exempelvis i fjärrvärmenät och- eller generering utav el. Examensarbetets syfte är att göra en förstudie på Heat managements systemlösning HISS, optimering utav ångsotning på Block 6 som är Mälarenergis avfallspanna. Avfall är ett heterogent bränsle som typiskt innehåller en mängd olika ämnen som alkali, klor och tungmetaller som ofta bidrar till att beläggningar bildas på värmeöverförningsytor. Dessa beläggningar försämrar ytors värmeöverförningsverkningsgrad på till exempel överhettare. Rengöring i form av ångsotning görs i jämna intervall för att hålla verkningsgraden uppe. Sotning av överhettare på Block 6 skes av en utdragbar, roterande sotlans utrustad med en dysa där ånga sprutas ut med 25 bars tryck. Lansarna körs in en åt gången i en sekvens vilket innebär att dem väntar på föregående lans innan nästa kan köras. Ångan som används tas från huvudprocessen vilket medför reducerad last på turbinen och dessutom uppstår slitage vid sotningen ty den höga anslagskraften. Detta kan leda till erosiva skador och förtunning utav godset på tuberna och således förkortas livslängden på överhettarna. Optimeringen justerar sot sekvensen så att fullt ångtryck används bara i ena färdriktningen av lansen, detta möjliggör att en överlappande sotsekvens kan användas och på så vis halveras tidsåtgången för sotningen. Analysen utav kortare sottidsåtgång samt minskad ångförbrukning baserat på produktionsdata hämtad från styrsystemet 800xA samt fallstudier har mynnat ut i följande resultat. Hjälpkraftens energianvändning minskas med 14,25 MWh per sotningssekvens och årligen 7 115,5 MWh. Turbinen kan producera 2,51 MWh mer el vid varje sotning då tiden som den körs med reducerad last blir kortare, totalt på ett år blir det 1 254,39 MWh. Vid varje sotning sparas 24,03 ton ånga och på ett år 12 003 ton. Återbetalningstiden för optimeringen blir 1,01 år baserat på ett medelspotpris från Mälarenergis budgetering från förra året. Med hänsyn till dagens elpriser förkortas återbetalningstiden ytterligare.   Förstudien rekommenderar optimeringen då dels är investeringen lönsam rent ekonomiskt, dels medför den andra positiva fördelar. Optimeringen med överlappande sotning skapar ett jämnare ångflöde, det reducerar tryckstötar som är skadliga. Slitage på överhettartuber minskas då dem bara besprutas med högt tryck en gång i stället för två gånger per sotningssekvens. Behovsstyrd sotning skulle kunna implementeras upp till 3 gånger per dygn utan att det skulle kosta mer mot dagsläget där man stora 1,5 gånger per dygn.

Modeling of heat transfer using Dymola. In this report a evaporator, economizer and superheater where modeled. The report describes how the models where modeled and what input was most suitable for a accurate model.