Kan en cellulosafabrik göras självförsörjande avseende på bränsle?

Föredrog vid Nordisk Pappersingenjörs Kongress den 11 sept. 1952 i Stockholm

Av överingenjör Gustaf Edling

I de äldsta svenska cellulosafabrikerna var bränsleförbrukningen mycket betungande och svarade för en väsentlig del av de höga tillverkningskostnaderna. Av skildringar finner man, att t. ex. en sulfatfabrik i början av 1890-talet förbrukade per ton massa icke mindre än 1.200 kg kol och därutöver 2-4 m³ brännved för alkaliåtervinningen.

Utvecklingen har inneburit ständigt ökade möjligheter till bättre bränsleekonomi, och redan för flera tiotal år sedan ansågs det utrett, att sulfatfabrikerna borde ha möjlighet att bli självförsörjande ifråga om bränsle.

När jag nu skall lägga fram några synpunkter på frågan om denna självförsörjning, gör jag det i anslutning till en redogörelse i stora drag för det nuvarande läget ifråga om värmeförsörjningen vid de svenska cellulosafabrikerna. Jag använder mig härvid av det material, som vi inom Ångpanneföreningen under årens lopp samlat i form av undersökningar, utredningar och beräkningar.

Jag börjar med sulfatfabrikerna och tar därefter upp till behandling några av sulfitfabrikernas problem.

Sulfatfabriker.

Sodahusen.

Bränsleekonomien i en sulfatfabrik är som bekant avgörande grad beroende av den värmemängd, som erhålls som ånga vid förbränningen av svartluten.

I strävan efter en förbättrad bränsleekonomi ha praktiskt taget alla svenska sulfatfabriker med början år 1936 utrustats med sådana sodahusaggregat, där svartluten med en torrhalt av ca 60% sprutas in och förbränns i en eldstad, som utgör del av en ångpanna.

Alla dessa anläggningar är projekterade för långt driven utvinning av lutens bränslevärde, vilket bl. a. förutsätter, att rökgaserna inom ångpanneaggregatet utnyttjas ned till en låg temperatur, ca I25°C vid normallast. De driftresultat, som helt motsvara dem, som beräknats vid sådan projektering, kallas här i fortsättningen helt villkorligt för de optimala.

Det får väl anses vara naturligt, om man i den dagliga driften av olika skäl icke alltid uppnår dessa optimala värden. Det gäller emellertid att komma dem så nära som möjligt, och det är därför nödvändigt, att driftresultaten kontrolleras så noggrant, att man verkligen vet var man står.

Värmeproduktionen i de svenska sodahusen enligt våra undersökningar redovisas i sammandrag tabell 1.

Tabell 1. Driftresultat i sodahus.

Förutsättningar:

Luten innehåller 1350 kg. torrsubstans ptm.

Torrsubstansens eff. värmevärde (i eldstaden) 3.300 Kcal/kg.

Insprutningsaggregat (19 anläggn.).

                                                            Min.                Medel             Max.

Värmemängd i ånga Mcal ptm    2.700              2.950              3.150
Verkningsgrad %                          61                   66                    70

Under optimala förhållanden beräknas för insprutningsaggregatet

3.200 Mcal ptm och 72 % verkningsgrad.

B-T aggregat

Värmemängd i ånga vid ett driftprov 3.350 Mcal ptm motsvarande

75 % verkningsgrad.

Tabellvärdena förutsätter en torrsubstansmängd ptm av 1350 kg och ett värmevärde hos torrsubstansen av 3.300 kcal/kg vid förbränning i eldstaden. Man finner, att de 19 anläggningar, som tabellen omfattar, har en värmeproduktion av mellan 2.700 och 3.150 Mcal ptm med ett medelvärde av 2.950 Mcal ptm. Verkningsgraden ligger mellan 61 och 70% med ett medeltal av 66%. Den optimala verkningsgraden är 72%.

Verkningsgraden är icke beräknad helt i överensstämmelse med vad som vid t. ex. fasta bränslen är vanligt. Den anger förhållandet mellan den i ånga upptagna värmemängden och den som frigöres, när svartlutens torrsubstans förbrännes i eldstaden. Här räknas alltså med torrsubstansens och alltså ej med lutens värmevärde. Detta sätt att räkna må synas ologiskt men har inneburit vissa fördelar och har därför tills vidare bibehållits.

Även siffran på torrsubstansens värmevärde kräver en förklaring. Det effektiva värmevärde på torrsubstansen, som beräknas ur bombkalorimeterprov, kan icke här direkt användas, eftersom det svavel, som finns i luten, oxideras i högre grad i bombkalorimetern än i eldstaden. I samband därmed blir också de frigjorda värmemängderna olika. Räknar man med de förhållanden, som i allmänhet tyckas råda, finner man, att om det kalorimetriska värmevärdet exempelvis fastställts till 3.800 kcal/kg, beräknas direkt därav ett effektivt värmevärde av ca 3.600 kcal/kg. I själva verket utvecklas emellertid endast ca 3.300 Mcal/kg i den reducerande atmosfären i eldstaden. Beroende på lutens sammansättning bli naturligtvis dessa värden något olika vid olika anläggningar. Vi ha dock funnit siffran 3.300 vara ett gott medelvärde.

Man kan fråga, varför driftresultatet vid vissa anläggningar blir så avsevärt mycket sämre än vid andra. Förklaringen till detta kan vara att söka på många håll. I regel är det emellertid sådana fel och brister hos anläggningen, vilka avslöja sig genom en högre rökgastemperatur och en ökad rökgasförlust. Dålig förbränning försämrar även ej sällan driftresultatet. Den överbelastning av sodahusaggregaten, som man så ofta praktiserar, må visserligen i och för sig vara motiverad, men den medför en försämrad värmeekonomi.

Man kan vidare fråga, vad det kan ha för ekonomisk betydelse, att värmemängden från sodahuset mer eller mindre avviker från den optimala. Jag skall lämna några orienterande siffror i den frågan.

Förutsätter man ett kolpris av 100 kr per ton (normalkol med värmevärde 6500 kcal/kg), vilket jag gör här och i fortsättningen, är 100 Mcal i ånga värda omkring 2 kronor. Utgår man från medelförhållandena enligt tabellen, har sålunda luten ett värde som bränsle av omkring 60 kronor ptm. Den värmemängd, som per dygn flyter genom ett 100 t aggregat, representerar alltså i bränsle ca 6000 kronor.

Om man i stället anknyter till verkningsgraden eller rökgastemperaturen, kan som enkel norm anges, att om verkningsgraden kan höjas med en enhet, betyder det en vinst av något under krona ptm. Samma vinst kan man också notera, om rökgastemperaturen efter aggregatet kan sänkas med 20°C. Dessa vinster genom förbättrad värmeekonomi förutsätter naturligtvis, att fabriken icke redan förut är självförsörjande med bränsle.

När jag redogör för resultaten från moderna svenska sodahus med aggregat enligt insprutningssystemet, bör jag rätteligen också beakta det svenska BT-systemet (Bergström-Trobeck). Vad som i princip skiljer de båda systemen åt är, att luten vid insprutningsaggregaten föres direkt in i eldstaden med ett vatteninnehåll av ca 40%, under det att vid BT-aggregatet vattnet avlägsnas ur luten före eldstaden i en sluten indunstningsapparat. Ångan från denna leds till fabrikens ångnät, och luten införs i eldstaden praktiskt taget fri från fuktighet. BT-systemet har nu varit i användning vid en svensk sulfatfabrik under många år. Man har uppenbarligen lyckats komma fram till en sådan utformning av den mekaniska utrustningen och till en sådan driftekonomi och driftsäkerhet, att detta system bör tagas upp till bedömning, när fråga är om nyinstallation av i synnerhet mindre sodahusaggregat.

Vid i övrigt lika förhållanden blir värmemängden ånga från lutförbränningen större vid BT- än vid insprutningssystemet.

Vi ha nyligen utfört prov med ett BT-aggregat och ha då, som framgår av tabellen, bl. a. erhållit en värmemängd i ånga från ångpannan och slutindunstaren av 3.350 Mcal ptm, motsvarande en verkningsgrad av ca 75%, vilka värden emellertid säkert kunna väsentligt förbättras genom vissa åtgärder.

Lutindunstningen.

Indunstningsanläggningen, där luten förtjockas till den torrhalt, som är lämplig för sodahuset, bör diskuteras i direkt anknytning till sodahuset. Totalekonomien för lutförbränningen är i hög grad beroende av hur denna indunstningsanläggning är anordnad. Tunnluten från diffusörerna håller vid svenska fabriker i medeltal en torrhalt av ca 18% Det är därför en vattenmängd ptm på något mer än 5 ton, som skall avlägsnas ur luten före sodahuset.

Intressant nog experimenterade man redan på 1880-90-talen i de första svenska fabrikerna med indunstningsanläggningar för svartluten. Det var då fråga om mottrycksanläggningar, där lutångan från sista steget användes för torkning av massan. Man försökte sig för övrigt också ett tag på att låta ångpannan fungera som indunstningsapparat genom att mata den med svartlut i stället för med vatten. Denna idé var naturligtvis bestickande, men man råkade tyvärr ut för alltför stora svårigheter genom pannsten på tuberna, och metoden övergavs därför snart nog.

Mottrycksindunstning tillhörde också det svenska SS-systemet (Sandberg-Sundblad), men på grund av praktiska svårigheter, framför allt inkruster på värmeytorna, har fabrikerna emellertid på ett par undantag när lämnat detta system och övergått till flerstegsindunstning i vacuumanläggning. Mycket talar emellertid för att mottrycksindunstning

många fall vore att föredra, numera kanske med bättre möjligheter till tillfredsställande drift än tidigare.

Jag skall här något belysa frågan om valet av antal effekter i en vacuumindunstningsanläggning.

Räntabiliteten för ett steg (eller en effekt) bestämms av värmevinsten och av ökningen i kraft-och kapitalkostnader. Det är därvid i vissa fall icke bara fråga om anläggningskostnader för själva indunstningsanläggningen, utan även kostnaderna för ångpanneanläggning och ev. mottrycksturbin påverka räntabiliteten, om ånganläggningen icke redan finns.

Ett större antal steg minskar nämligen det totala värmebehovet och därmed erforderlig panneldyta. Samtidigt minskar emellertid också den utvinnbara mängden mottryckskraft ur ångan till indunstningsanläggningen och kraftkostnaderna öka.

Resultatet av en räntabilitetsberäkning visas enklast genom diagrammet (Fig. 1). I stort sett kan

   70 80 90 100 110 120 130 140 150

   Kolpris Kr/t (Normalkol a 6500

   KCAL/Kg)                  

Fig. 1.

sägas, att diagrammet först och främst bekräftar vad man förut visste, nämligen att det är en mycket god affär att använda åtminstone fyra steg. Även det femte steget visar en god räntabilitet. Vid 100 kr. kolpris är nettovinsten närmare 25% vid en befintlig fabrik, under det att steget vid helt ny anläggning lönar sig ännu mycket bättre.

Även det sjätte steget skulle enligt diagrammet ge en nettovinst, som man i allmänhet borde kunna vara nöjd med, men man finner också, att, om kolpriset skulle sjunka till något över 70 kronor, det sjätte steget icke längre skulle ge någon vinst.

Tydligen är det välmotiverat att använda åtminstone fem steg i indunstningsstationen, och det är också det vanliga vid de nyanläggningar, som planerats under senare tid här i landet.

Vid val av antal steg eller val mellan vacuum- och mottrycksanläggning spelar hänsyn till fabrikens sekundärvärmeförhållanden en mycket stor roll. Jag nödgas emellertid att här bortse från varmvatten- och sekundärvärmefrågorna, hur viktiga de än må vara, och så har också skett vid beräkningen av diagrammet, vilket dock ej inverkar på slutsatserna ifråga om valet av antal steg.

Om man nu utgår från i det föregående lämnade uppgifter beträffande värmeproduktionen i sodahuset och räknar värmebehoven för en 5-stegs indunstningsstation i vacuum, erhåller man en nettovärmemängd från luten i enlighet med vad som visas i tabell 2. Denna värmemängd skall alltså i första hand användas för att tillgodose fabrikens värmebehov för kokning och torkning. Jag övergår nu till att diskutera dessa förbrukningsposter och börjar då med kokningen.

Tabell 2. Värmemängd från luteldningen.

Sulfatfabriker.

                                                                        Min.                Medel             Max.

Värmemängd i ångan från sodahus

Mcal prm                                                       2.700              2.950              3.150

Värmeförbrukn. för lutindunstn.

Mcal ptm                                                      720                 720                 720

Nettovärmemängd Mcal ptm                   1.980              2.230              2.430

Indunstningen beräknas ske från 18 till 60% torrhalt i 5-stegs vaccumstation.

Kokning och torkning.

Jag har i tabell 3 sammanställt några data från våra mätningar vid 5 olika sulfatkokerier. Det framgår av tabellen, att värmeförbrukningen varierar mellan 810 och 1660 Mcal ptm, och att förbrukningen i medeltal utgör 1060.

Tabell 3. Driftresultat i sulfatkokerier.

(15 anläggningar.)

                                                            Min.                Medel             Max.
Total värmeförbrukn. Mcal ptm              810                 1060               1660
Bortförd värmemängd med

terpentingasning Mcal ptm                      30                    100                 210
Värmeförbrukning för kokets

blåsning Mcal ptm                                      0                      50                    310

INDUNSTNING AV SVARTLUT

Nettovinst per effekt vid ökning avc antalet effekter i anläggningen.

Massaproduktion 100 t/d
Torrsubstansmängd i tvätteriluten        350 Kg ptm
Tvätterilutens torrhalt 18%

Tjocklutens torrhalt 60%

Amorteringstid (4% ränta) 15 år

Kraftpris vid 6800h utnyttjandetid 210 Kr/Kw/år

Denna stora variation i  värmeförbrukningen kan synas egendomlig med hänsyn till att många av de faktorer, som påverka värmeförbrukningen i kokeriet, är varandra rätt lika vid olika anläggningar. En viss skillnad uppkommer naturligtvis genom olikheten t. ex. i flisfukt och massakvalitet.

I tabellen har separat angivits värmeförbrukningen för terpentingasning och blåsning. Så har skett, därför att båda dessa ej sällan visa sig på ett onormalt sätt påverka värmeförbrukningen för kokning.

En för hög värmeförbrukning i samband med terpentingasning kan kanske ofta reduceras till normalt värde, genom att man monterar in bättre regleringsanordningar.

Svårigheterna med blåsningen är säkert värre att bemästra, men även dessa torde i allmänhet kunna påverkas i gynnsam riktning.

Några mätresultat från 12 cellulosatorkmaskiner ha sammanställts i tabell 4. Förbrukningen av primavärme varierar mellan 680 och 970 Mcal ptm med ett medelvärde av 860. Även här skilja sig sålunda driftresultaten vid olika fabriker avsevärt från varandra. Värmeförbrukningen påverkas naturligtvis av maskinens ålder, typ och utrustning, massakvaliter m. m., och man kan därför icke vänta samma värmeekonomi vid varje maskin.

Tabell 4. Driftresultat vid torkmaskiner.

(12 anläggningar.)

                                                                        Min.                Medel             Max.

Primär värmeförbrukning Mcal ptm      680                 860                 970
Torrhalt före torkparti %                           52                    45                    41

Några av de faktorer, som påverkar värmeförbrukningen för torkning, är emellertid av den art, att de är väl tillgängliga för åtgärder från driftpersonalens sida. Så spelar t.ex. torrhalten efter sista pressen en avgörande roll för den specifika

SULFATFABRIKER

NETTOVÄRMEPRODUKTION OCH VÄRMEFÖRBRUKNING FÖR KOKNING OCH TORKNING PER TON

90%-ig MASSA

NETTOVÄRMEPRODUKTION:

BRUTTO FRÅN SODAHUSET

MINSKAT MED INDUNSTN.

Fig. 2.

värmeförbrukningen, och jag tror, att man ofta kan förbättra denna torrhalt, om den blott effektivt övervakas. Enligt tabellen ligger torrhalten mellan 41 och 52%. Jag vill naturligtvis icke påstå, att man enbart genom övervakning och kanske mindre justeringar skulle kunna överbrygga en sådan skillnad. Drives emellertid en maskin med t. ex. 42 i stället för möjliga 44% torrhalt, medför detta en förlust av icke mindre än ca kr. 1:50 ptm, om kolet kostar 100 kr/t.

Torkmaskinens kondensatsystem ger ofta anledning till onödiga förluster. Enligt erfarenheten spelar en effektiv övervakning även här en viktig roll.

Värmebalans.

Vill man nu använda de resultat från svenska sulfatfabriker, som jag här lagt fram, för att belysa möjligheterna till självförsörjning, kan det ske t. ex. genom att sammanställa dem i det diagram, som visas i fig. 2.

Förbrukningen av värme för kokning och torkning är varken inbördes eller med värmealstringen i sodahuset så förknippade, att värdena behöva sammanlagras, såsom antyds på bilden. Vid en fabrik kan naturligtvis värmeförhållandena vara bra i kokeriet men dåliga i torksalen och tvärtom. Diagrammet visar därför endast en kombinationsmöjlighet ifråga om förbrukningen.

För de fabrikationsprocesser, som ha tagits med, finner man emellertid, att redan minimivärdet för värmeproduktionen vid insprutningsaggregat täcker förbrukningssidans medelbehov. Ser man på medelvärdessiffrorna både för värmeproduktion och för förbrukning, finner man ett rätt gott utrymme även för en del andra förbrukare av primavärme, och sådana finnas ju alltid, även om de böra vara små i jämförelse med behoven för kokning och torkning. Att den värmeslösande fabriken icke på samma sätt erhåller täckning från lutförbränningen är förståeligt. Det bör emellertid finnas goda möjligheter för denna att genom lämpliga åtgärder förbättra sin värmeekonomi.

På diagrammet visas också, hur tillgången på primavärme ökas genom BT-systemet.

Jag har i min framställning icke tagit med någonting om sulfatfabrikernas sekundärvärmeproblem. För en kraftmassefabrik vålla emellertid dessa problem i allmänhet icke några större svårigheter. Vid längre driven förädling och genom t.ex. blekeri skapas nya värmebehov, och i synnerhet då kan det bli aktuellt att i största möjliga utsträckning utnyttja alla en fabriks sekundära värmekällor. De erbjuda värmeteknikern ett stort arbetsfält med rika möjligheter till värdefulla insatser.

Jag låter diagrammet tills vidare utgöra slutbilden till vad som här har sagts om sulfatfabrikernas värmeförhållanden