In Oxelösunds there is a complete production facility, from metallurgy with the production of steel to rolling, formatting and hardening of sheet metal. SSAB Oxelösunds is producing world-famous trademarks such as Hardox, which is considered one of the world’s most advanced steel. SSAB has a goal to improve its energy efficiency by taking advantage of excess heat to reduce the demand of purchased energy, both in terms of fuel and electricity. Today SSAB Oxelösunds uses excess heat (blast furnace gas, coke gas and hot water) internally and also as additional fuel in the company’s power plant for electricity generation and district heating. The district heating and electricity are used internally and are also sent to Oxelösunds district heating network and the grid. One way to achieve SSAB’s energy efficiency goals is to perform an energy optimization of the factory’s existing power plant. The purpose of the thesis at SSAB’s power plant is to identify opportunities and for recovering excess heat from the existing steam system using Pinch analysis. This is done to increase electricity generation in the factory’s power plant. The aim is to produce flowchart for the existing plant based on an energy survey done on the power plant. The goal is also, by implementation of Pinch analysis over the existing heat exchanger network, to present changes to reduce energy consumption in the power plants that lead to increased power generation and how these changes can be made in practice. The thesis has been done at SSAB and the necessary data for the analysis has been developed using the IP21 database, which consists of logged data and as well as measured data with two different thermometers. Based on the generated data, a pinch analysis has been performed to investigate how heat exchange occurs in the plant which reveals how optimized the exchange of heat is. The pinch analysis has shown pinch violations consisting of heat exchange of streams over the pinch with streams under the pinch and vice versa by 1.5 MW. Possible measures to optimize and eliminate pinch violations have been investigated in the OK2 heat exchanger. OK2 consist of two boilers, 1 and 2, which is used for production of process steam and district heating. By using the high-grade 5 bar steam which is used in the current OK2 for district heating production to do a mechanical work in the high-pressure steam turbine in OK3 and then the condensed steam from the turbine can be reused for district heating production. OK3 consists of high and low-pressure steam turbine and district heat condenser. The suggested improvement means that the entire district heating production should be done by the condenses steam from turbine, both in the district heat condenser in OK3 and the heat exchanger in OK2.  The improvement suggestion lead to a decrease in entropy generation and an increase in exergy recovery, which means increased electricity production of 2.8 MW compared with the current operation. Assuming that district heating costs 0.22 kr/MWh and electricity costs 1 kr/MWh, the upgraded OK3.2 gives an extra income of 33 kr/MWh per fed fuel. The implementation of the improvement suggestion is expected to increase the overall energy efficiency of the plant, resulting in economic benefits. Based on discussions with operating technicians in the power plant, a possible change does not require major investment either.

Vatten är en viktig resurs inom processindustrin. Dess användning sträcker sig över olika processområden där exempelvis utspädning av kemikalier och rengöring förekommer. Införande av strängare utsläppskrav, ökade kostnader för vattenrening och begränsning av vattentillgång leder till att effektivisering av vattenanvändning inom vattenkrävande processer ses som ett viktigt arbete. Papperstillverkning är en vattenkrävande process och ständiga förbättringar med avseende på färskvatten intag och avloppsgenerering är önskvärda att genomföra. För att kunna uppskatta förbättringsmöjligheten i en process kan en vatten-pinchanalys tillämpas. I vatten- pinchanalys ingår framtagning av processinformation, framtagning av målvärden och nätverksdesign som nyckelsteg. Vid framtagning av processinformation kartläggs sänkor, dvs enhetsoperationer som kräver vatten av en viss kvalitet, och källor som är enhetsoperationer som genererar vatten i systemet. Målvärden utgörs av det minimala intaget av färskvatten och avloppsgenerering. Syftet med arbetet är att undersöka hur vatten-pinchanalys kan tillämpas i papperstillverkningsprocessen. I detta arbete har vatten-pinchanalys tillämpats på två fallstudier som behandlar papperstillverkningen. Målet med arbetet är att ta fram en validerad Excel-modell med inbyggd målframtagningsmetod och använda modellen vid genomförandet av vatten-pinchanalys vid papperstillverkning. Målet är även att kunna ge rekommendation på hur framtagning av processinformation ska genomföras i papperstillverkningsprocessen utifrån en känslighetsanalys. Arbetet resulterade i att vattenkaskadanalys användes som metod för målframtagning och byggdes in som en Excel-modell. Vidare användes närmastegrannen metoden för design av vattennätverk där maximering av vattenåteranvändning sker. Den skapade Excel-modellen som togs fram validerades mot publikationer som tillämpat vattenkaskadanalys. Som resultat erhölls en skillnad på mindre än 1 % mellan Excel-modell och publikationer där vattenkaskadanalys tillämpats. Detta leder till att Excel-modellen bidrar till en automatiserad framtagning av målvärden från papperstillverkningsprocessen. Användning av vattenkaskadanalys och närmastegrannen metoden för vatten- pinchanalys på fallstudiernas data leder till att besparingar i form av färskvatten och avloppsgenerering kan tas fram i papperstillverkningsprocessen. För den första fallstudien skulle intaget av färskvatten till mäldflödessystemet kunna uteslutas helt genom att återanvända befintliga procesströmmar och för den andra fallstudien kan ytterligare användningen av procesströmmen från flotationstanken i det befintliga systemet leda till en minskning av färskvatten intag i formningssektion. Generellt blir press-och formningssektion viktiga för återanvändning av vatten. Framtagning av processinformation utgör grunden i vatten-pinchanalys och för att kunna ta fram det minimala färskvatten intaget till processen som analyseras anses identifierade sänkor i systemet ha en stor betydelse utifrån känslighetsanalysen som genomfördes. Sänkor ska kartläggas så dessa har den högsta tillåtna koncentrationen. Det är även av stor vikt att informationsframtagning om enhetsprocesser med höga massflöden exempelvis formningssektionen genomförs noggrant då även dessa har en stor påverkan på färskvatten intag och avloppsgenereringen. / Water is an important resource in the process industry. Its use extends over various process areas such as dilution of chemicals and cleaning. The introduction of stricter emission requirements, increased costs of water treatment and limitation of water resources means that the efficiency of fresh water use in water-demanding processes is seen as an important topic. Paper production is a water-demanding process and continuous improvements with respect to fresh water use and wastewater effluent are desirable to implement. In order to be able to estimate the possibility of improvement in a process, water pinch analysis can be applied to processes. Water pinch analysis includes the extraction of process information, setting minimum target values and network design development as key steps. Extraction of process information involves, mapping sinks, that means unit operation that require water of a certain quality, and sources which are unit operations that generate water in the system. Minimum target values consist of the minimum freshwater intake and wastewater effluent. The purpose of the work is to investigate how water pinch analysis can be applied in the papermaking process. In this work, water pinch analysis has been applied to two case studies dealing with paper production. The goal of the work is to develop a validated Excel model with a built-in targeting method and apply it in water pinch analysis. The goal is also to provide recommendations on extraction of process information in the papermaking process based on a sensitivity analysis. This work resulted in the use of the water cascade analysis as a method for targeting minimum water requirements and built-in as an Excel model. Furthermore, nearest neighbor algorithm was used for water network design for maximization of water reuse. The developed Excel model was validated against publications where water cascade analysis is applied. As a result, a difference of less than 1% was obtained between the Excel model and publications. Hence the Excel model is considered to contribute automatization of targeting the minimum requirements in the process. The use of the water cascade analysis and nearest neighbor algorithm for water pinch analysis on cases study data leads to savings in the form of fresh water and waste effluent can be mapped in the papermaking process. For the first case study, use of fresh water to the approaching flowsystem could be completely excluded by reusing existing process streams and for the second case study further use of the process stream from the flotation tank will lead to a reduction of fresh water use in the forming section. In general, the pressing and forming section become important for water reuse. Extraction of process information is fundamental in water pinch analysis and in order to be able to obtain the minimum fresh water intake for processes being analyzed, the identified sinks in the system are consider having a great impact based on a sensitivity analysis conducted. The sinks should be mapped with the highest allowed concentration. It is also of great importance that extraction of process information for process operations such as the forming section, is done accurately as these also have a major effect on fresh water intake and the wastewater effluent due to the magnitude of water required in these processes.

Syftet med det här examensarbetet är att undersöka möjligheter för energieffektivisering i form av ökad värmeåtervinning hos Ahlström-Munksjö Aspa Bruk AB med målet att föreslå åtgärder som minskar behovet av färskånga till uppvärmning i processerna. Detta har gjorts med hjälp av en pinchanalys där de externa behoven, pinchöverträdelser och effektiviseringsmöjligheter har identifierats och analyserats för att avgöra hur effektiv värmeväxlingen på Aspa Bruk är. Strömdata har samlats in på plats på bruket främst genom givare som loggar data kontinuerligt men även genom mätningar, miljöbesiktningsrapporter och antaganden.  Ur pinchanalysen framkom det att de externa värmebehoven potentiellt skulle kunna reduceras med ca 19,2 MW, vid ett så energieffektivt system som möjligt, jämfört med dagens behov av färskånga som ligger på 71,5 MW. I praktiken är det dock inte möjligt att genomföra åtgärder för att minska det externa värmebehovet fullständigt till följd av tekniska- och ekonomiska begränsningar. Pinchöverträdelser står för ca 7,7 MW av de ca 19,2 MW och återfinns i sekundärvärmesystemet då det råder överskott av värme i varmvatten- och hetvattenproduktionen.  De åtgärdsförslag som läggs fram bygger på att effektivisera energianvändningen och avlägsna pinchöverträdelser med åtgärder som anses genomförbara. Tre åtgärder presenteras:  Använda värmeenergin från rökgaserna från sodapannan för att förvärma förbränningsluften till sodapannan och därmed ersätta delar av färskångan som används till detta. Öka andelen flashånga från tank 2 till förbasningsfickan där flisen förvärms innan kokaren istället för terpentinkondensorn. Detta skulle medföra en reducering av färskånga till förvärmningen av flisen.  Eliminera 3 bars ångan till hetvattentanken och kompensera med ett ökat varmvattenflöde genom ett ökat intag av råvatten som ska bli varmvatten.  Totalt skulle dessa åtgärder potentiellt kunna minska förbrukningen av färskånga med ca 12,5 MW. Potentiellt skulle även mer ånga kunna sparas om rökgaserna från sodapannan tilläts kondensera. Åtgärdsförslag nummer 3 är den som bidrar mest till reduceringen av färskånga på Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB. / The purpose of this master’s thesis is to investigate opportunities for a higher energy efficiency in terms of increased heat recovery at Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB with the goal of suggesting actions that reduces the need for live steam in process heating. In order to do this a pinch analysis was conducted where the utility consumptions, pinch violations and opportunities for increased energy efficiency were identified and analyzed in order to determine how efficient the heat exchange at Aspa Bruk is. Stream data was gathered at the mill mainly through continuously logging sensor data but also through measurements, environmental inspection reports and assumptions.       From the pinch analysis it was discovered that the external hot utility potentially could be reduced by approximately 19,2 MW given that the system would be as energy efficient as possible, compared to the current need of live steam that is 71,5 MW. However, in reality it is not possible to accomplish this reduction due to technical and economic limitations. Pinch violations stand for about 7,7 MW of the 19,2 MW and are located in the secondary heat system since there is an excess of heat in the warm water- and hot water production.  The actions suggested are based on increasing the efficiency of the energy consumption and removing pinch violations and are also considered feasible. Three suggestions are presented:  Recover the heat in the fumes from the recovery boiler and use it to preheat the combustion air in to the recovery boiler and thereby replace some of the live steam used for this.  Increase the amount of flash steam from tank 2 to the preheating of the woodchips before the boiler by reducing flash steam to the turpentine condenser. This would lead to a reduction in live steam used to preheat the woodchips. Eliminate the 3-bar live steam to the hot water tank and compensate it by increasing the amount of cold water that is going to become warm water.  In total, these proposed arrangements will potentially lead to a reduction in the use of live steam of approximately 12,5 MW. Potentially even more live steam can be saved if the fumes from the recovery boiler are allowed to condense. Number 3 amongst the proposed actions is the one that has the biggest influence on the reduction of live steam at Ahlstrom-Munksjö Aspa Bruk AB.