Värmeförhållanden
vid kokning av
sulfatcellulosa.
Av
Civilingeniör H. Brahmer,
Sprängsviken.
(Ur Svensk
papperstidning nr 14 1920)
Den framställning
av vissa värmeförhållanden, som jag har skall försöka giva,
grundar sig på de driftsförhållanden, som råda vid Nensjö
Cellulosa Aktiebolag vid Sprängsviken, och enbart på de mätningar över
kokareanläggningen därstädes, som utförts där av vår värmeingeniör
Carl-Erik Nilson. På grundval av dessa och andra mätningar har jag sedan
försökt att utarbeta dels allmänna metoder för beräkning av värmeförbrukningen,
vid varierande driftsförhållanden, dels sökt belysa dessa förhållanden med
diagram grundade på de uppställda beräkningsformlerna, varigenom jag har
hoppats att kunna giva framställningen något mer än
rent specialintresse.
Såsom bekant torde
vara, använder sig Nensjö av Sandberg-Sundblads
värmesystern, låt oss kalla det för korthetens skull S-S-systemet, och givetvis
så komma förhållandena i detta fall att ses mest från detta systems synpunkt,
men i många avseenden kan också det äldre vanliga systemet ha anknytning till
de frågor, det här gäller.
Jag skall då först
be att få i största korthet erinra om S-S-systemets anordning.
Systemet karakteriseras ju förnämnst därav, att en del av svartlutens bundna värme överfört i
ångform utnyttjas för avdunstning indirekt i Kestnerapparater,
som arbeta med avtappningsånga, vilken utnyttjas för
torkning av massan.
Värmesvstemets ånga alstras i två samarbetande ångcentraler, se
fig. 1, den ena eldad med inköpt bränsle, den andra med
svartlutens torrsubstans. Härifrån föres ångan dels direkt till
indunstningsapparater, varifrån erhålles lågtrycksånga, som utgör en del av den ånga, som erfordras
för torkmaskinen. Resten av torkmaskinens värmebebov
täckes av färskånga. En annan del går till kokarna,
och resten till eventuella andra ändamål, värmeledningar, mixar eller dylikt.

Kokarna äro roterande - 30 kbm. Ångan kan införas antingen direkt i
kokaren eller också i förvärmare på 46,6 kvm., varigenom luten i kokaren,
transporterad av cirkulationspump, kan uppvärmas indirekt. Kondensatet från
förvärmaren avledes ångfritt
medelst en kondensvattenavledare, som avlämnar varmvattnet till en kondensvattenåterledare, vilken pumpar detsamma till en
varmvattenbehållare.
Avloppsångan från återledaren går tillbaka till förvärmaren. Med förvärmaren höjts kokarinnehållets temperatur till högst 125° och
därefter med direkt kokånga till 160° för kraftmassa
och 180° för blekmassa.
Under kokets
första skede, den indirekta delen, vändes kokaren upp och ned och roteras icke. Under den direkta delen gasas genom en lutfälla till en terpentinkondensor på 223 kvm., som lämnar
sitt kondensat till, en separator, där terpentinoljan frånskiljes.
Efter kokets slut avblåses ånga genom samma fälla till en ackumulator, tills
trycket blivit 3,5 atm. Ackumulatorn lämnar ånga till
en lutförvärmare, som är ansluten till
avdunstningssystemet. Vid
För fastställande
av värmets rörelse i detta system och bestämning av dess värmebalans anbragtes
följande anordningar för ångmätning: två på
huvudledningarna till kokare och förvärmare, en på servisledningen till en
kokare samt en i ångledningen till efterkondensorn.
Naturligtvis voro såväl termometrar som manometrar
anordnade i ångmätarens omedelbara närhet.
Vätskemätare voro anordnade dels efter förvärmaren vid
avdunstningsapparaterna, efter terpentinkondensorn, efterkondensorn och
terpentinseparatorn, på alla ställena i form av mättunnor.
Temperaturobservationer gjordes dessutom på själva kokaren, på luten före och
efter förvärmaren såväl i kokhuset som i avdunstningsanläggningen, på vattnet
före och efter terpentin- och efterkondensorn, på ångan och kondensatet före
och efter avdunstningsförvärmaren och terpentinkondensorn.
Vidare mättes
vitlutens mängd, sammansättning och temperatur, flisens mängd, vikt och
vattenhalt och bestämdes utbytet av cllulosa. Provet
utfördes då kraftmassa tillverkades.
I övrigt voro förutsättningarna: vedens vattenhalt 43,4%, temperatur
omkring 20°, vikt pr kok

Kg. absolut torr eller 47% av den absolut t torra veden.
Nästa diagram
visar ångmängden, temperatur- och tryckförhållanden
under ett kok, som var tämligen typiskt. Överst synes ångans temperatur och
tryck, som hållit sig tämligen konstant under koket. Därefter kommer ångmängden per timme. Den har tillförts förvärmaren med
någon variation från 1,230 --
Under det direkta kokskedet märkes ångmängdskurvan
först och främst. Sedan kokets uppvärmning pågått inemot två timmar, har
temperaturen stigit till i medeltal 125°, då ångmängden
plötsligt minskas till 1/3. Härunder fortfar det oaktat
temperaturen att stiga vid kokarens topp, beroende på den spontana
värmeutvecklingen under sönderfallandet av vedens organiska substans. I stort
sett minskas därefter åntillförseln under hela den
återstående delen av koket, tills det samma efter 23/4
timme är färdigt att avblåsas.
Den specifika
ångförbrukningen för kok, som uppvärma på liknande sätt som dessa, har
befunnits vara i medeltal
Orsaken varför den
indirekta kokperioden avbrutits vid omkring 140° är
farhågan för att inkruster i alltför hög grad skola
bildas i förvärmaren. Med detta koksätt hålles rengöringstiden vid
förvärmaren nere till omkring tio timmar per vecka.
Huru ett kokhus om fyra kokare belastar
ångpanneanläggningen framgår av nästa fig.

Då
medelbelastningen är
Nästa bild visar
värmets fördelning under det indirekta koket, beräknat per
Gå vi vidare till
den direkta delen av koket, finna vi att ytterligare ungefär lika mycket som
det indirekta värmet till

förts såsom direkt ånga eller 234,000 cal. 2,0 % bortgå
såsom strålande värme under själva kokperioden och
ytterligare 1,2% under gasningsperioden. Under det direkta
koket företages först terpentingasning,
som medför en värmeförlust av 8 % av hela värmemängden. Det är under denna del
av koket, som den spontana temperaturhöjningen förmärkes
på grund av det frigjorda reaktionsvärmet. Detta uppmätes
såsom differens mellan den tillförda och den verkligen mot kokareinnehållets
temperatur vid kokningens slut befintliga värmemängden. Denna värmemängd
uppgår till ej mindre än 8,4% av hela värmemängden och
motsvarar en temperaturstegring hos kokareinnehållet av icke mindre än nära
16°, således en mycket tydligt märkbar värmemängd. Den motsvarar 1,2% av vedens förbränningsvärme. Då nu vid kolning av ved man
anser, att omkring 6 % av vedens förbränningsvärme frigöres,
och träkolen väl få anses såsom resultatet av en nära nog fullständig
nedbrytning av vedsubstansen, så kan man måhända med ett visst fog förmoda, att
vedsubstansen till ungefär en femtedel nedbrytes vid denna cellulosakokning.
Sedan kokningen
avslutats sänkes trycket från c:a
Se vi nu på slutresultatet av kokningen, så har ju i stort sett
inträffat, att veden delats i cellulosa och lignin och flyttats från kokaren
till diffusören. Då denna process är förbunden med
en om en ringa värmeutveckling, så inses utan vidare, att kokningen i och för
sig icke bör kräva någon avsevärd mängd värme.
Principiellt gäller ju saken endast att höja vedens och alkalits temperatur till
en punkt, där reaktionen dem emellan förlöper så hastigt som tekniken fordrar.
Det därför använda värmet kan, sedan detta skett, praktiskt taget så gott som
fullständigt återvinnas. Kokaren har således i ……

En blick på nästa
diagram säger oss hur förloppet är vid utnyttjandet av blåsningsångan.
Ångmängdskurvan stiger på två minuter till maximum
Nästa bild visar
värmebalansen härvid. Huvudresultatet är, att 73,2 %
av det ingående värmet nyttiggjorts såsom överfört i varmt vatten. Tyvärr var
kondensorn för liten för att kondensera all införd ånga, varför 23 % av ångan
gick ut i fria luften. Med anledning härav tillbyggdes kondensorn med
ytterligare 50% och är nu 103 kvm. Så stor,
kondenserar den fullständigt den ånga, som numera införes.
Under sådana förhållanden nyttiggöras 96% av det
införda värmet. Resten är förlust i kondensat och strålning.
På grund av dessa
undersökningar och andra tidigare utförda å avdunstningsavläggning och
torkmaskin har jag sökt att på teoretisk väg finna ett uttryck för
ångförbrukning vid uppvärmning av kokareinnehållet, strålningsförluster från
olika stora kokare, mängden erhållbar avloppsånga från
kokaren, svartlutens koncentration i diffusörerna,
erforderlig ånga för koncentration av svartluten i Kestnerapparater,
mängden avloppsånga, som kan erhållas från dessa, förbrukning av tillsatsånga till torkmaskinen samt total ångförbrukning
för kokning, avdunstning och torkning. Det är nämligen att förutse att det
intimaste samband råder mellan förhållandena vid kokning och alla de därpå
följande värmeprocesserna, vilka förmodades bliva
funktioner av vedens och vitlutens sammansättning. Givetvis måste vid en sådan
beräkning en hel del förhållanden antagas vart
konstanta och i regel också praktiskt taget äro det. Alla beräkningar hänföra sig till
Vedens
specifika värme 0,65 (enl.
Hütte).
Ångans värmeinnehåll
är antaget vara 700 kalorier pr kg. För att förenkla framställningen antages det vidare, att det tekniska tillståndet i
åtskilliga avseenden är konstant. På grund av företagna mätningar är det
berättigat säga att mängden efterblåsningsånga är
Det har vidare ur
våra mätningar erhållits, att värmeinnehållet i
avloppsångan från kokarna är 74 % av kokets värmeinnehåll, och vidare att
förhållandet mellan mängden avgasningsånga och diffusörånga är 51 till 49 vid kraftmassa.
Vidare antages, att svartlutens utspädning vid tvättningen i diffusörerna är oförändrad. Företagna prov visa, att i
medeltal denna utspädning motsvarar 446 I. pr ton ved vid kraftmassa.
Med avseende på
tillståndet vid avdunstningsapparaterna antages, att
den genom mätningar funna avdunstningseffekten, är
Koncentrationen
antages drivas till 30° Bé vid 90° C. eller till en vattenhalt av 50 %.
Slutligen märkes
beträffande torkmaskinen, att dess specifika ångförbrukning uppmätts till
Det område som
undersökts rör sig mellan vedvattenhalterna 20 % och
60 % och vitlutskoncentrationerna 10° Bé till 24° Be, vilket torde vara de yttersta gränserna för
vad, som kan förekomma i praktiken.
Den fråga, som
först gäller att behandla, är: huru stor värmemängd
erfordras för uppvärmning av ved med olika vattenhalt från en viss temperatur
till en annan högre. För bedömning av denna fråga upprättades först ett
diagram över mängdes vatten pr ton absolut torr. ved

enligt formeln: 1000(I+ c/(100-c) ), där c är vattenhalten
i %.
Den utsatta
punkten motsvarar vedvattenhalten under
undersökningen av kokningen. Det framgår härav, hur
snabbt vattenvikten pr ton ved stiger med % vatten. Vid 30° är vedvattnet endast 28,5 % av vattenhalten vid 60 %. Nedtill
står vattenvärdet av
Nästa steg var att
ur denna kurva beräkna, huru mycket värme, som
erfordras för uppvärmning av veden och vattnet under olika förhållanden.

Varje linje
betyder ändringen av värmemängden i olika vikter ved för den utsatta vedvattenhalten. Vi se t.ex. härur,
92
% mer. En annan
iakttagelse, som kan göras, gäller årstidens inflytande. På sommaren får man
litet hjälp till värmningen t.ex. vid 20° temperatur och 30 % vattenhalt inemot
15% och vid 60%-14 %. Men på vintern råder ett omvänt
förhållande. Då erfordras ju temperaturer under 0° värmetillförsel för isens
smältning i veden, utan temperaturen höjes. Det
fordras därför vid 30 % vatten vid -20° C. icke mindre
än

Genom en företagen
undersökning har de vidare fastställt huru mycket
vatten vitlut innehåller pr

På
liknande sätt som vid vedens värmeförbrukning är ett diagram
upprättat, som visar vitlutens värmeförbrukning olika koncentration och
temperaturförhöjning. Kraftmassa 160° förbrukar vid 12° lut naturligen dubbelt
så mycket värme som 22° lut. Diagrammet visar också vikten av, att man använder
så varm vitlut som möjligt. 20° varm lut av 12°.

förbrukar sålunda icke mindre än 5 gånger så mycket värme somm
90° lut av 22° Bé. I förhållande till vedens
värmeförbrukning bör man iakttaga, att lutens
värmeförbrukning vid t.ex. kraftmassa är vid medelvärden av vedvattenhalt
och lutkoncentration dubbelt så hög som vedens. Lutkoncentrationen bör således ägnas ännu mer uppmärksamhet
än vedens vattenhalt.
För kännedom om
svartlutens inflytande på de värmeprocesser, som följa på kokningen är det av
vikt att utröna några

förhållanden vid densamma. Experimentellt har då först utrönts
mängden torrsubstans och oorganisk substans i svartlut olika koncentration. Som
resultat härav har erhållits det diagram, som visas å
nästa bild.
Observationerna
äro gjorda på svartlut av 90° C.
Ur förhållandet
mellan koncentrationer uttryckta i grader Beaumé och
specifik vikt möjliggöres att beräkna huru mycket
vatten, som kommer på

Av detta synes
bland annat, att svartlutens vatten halt är omkring 3/10 av vitlutens vid samma
koncentration, och att såldes svartlutens styrka är en funktion av vitlutens
vilket också framgår därav, att kurvorna hava
tillnärmelsevis samma form. Vad som således sagts förut om vitluten gäller även
för svartluten fast i lägre grad. I undersökningen ingick också en bestämning
av koncentrationens förändring vid variabel svartluttemperatur, vilket visas å
nästa bild.

Som synes har temperaturen ett betydande inflytande eller …..
sig till 90° temperatur, vilket värde ligger ganska nära dem, som förekomma
vid skilda tillfällen i tekniken t. ex. i diffusörerna,
tunnluten och tjockluten
efter avdunstningsapparaterna och före sodaugnarna.
Vi äro nu framme vid den första anhalten av
beräkningarna, vilka således hänföra sig till alla förut angivna konstanter
och genom diagrammen definierade variabler. Då det kan förutses, att inga andra
faktorer än vedens och vitlutens vattenhalt spela en tillnärmelsevis stor roll
som dessa, har således undersökningen gått ut på att finna en formel för ångförbrukningen
för olika ändamål, som innehåller såsom variabler vedens och vitlutens
vattenhalt och en konstant, sammansatt av de ovan angivna kända förhållandena. .
Kokångförbrukningen för kraftmassa kan då uttryckas på följande sätt:
vedens värmeförbrukning + vitlutens värmeförbrukning + strålningsvärmet + terpentinångförbrukningen - reaktionsvärmet dividerat med friskångans värmefall. Betecknas nu vedens vattenhalt i
procent med c och vitlutens vattenhalt med i kan kokångförbrukningen
uttryckas med formeln
264x c/(100-c) + 0,18i + 238
kg. ånga a 760 calorier per
Tillämpas nu denna
formel på de förhållanden, som rådde vid provet nämligen 43,4%
-ig ved vid 20° temperatur och 16,8° vitlut vid 50°
temperatur, erhålles efter korrigering till 0-gradig ved en ångförbrukning av

Diagrammet för
kraftmassa anger, att vid t. ex. 22-gradig lut och 30%
-ig ved ångförbrukningen är endast hälften av
ångförbrukningen vid 60% -ig ved och 11-gradig
vitlut.
Vid blekmassan
ligger kokångförbrukningen avsevärt högre eller
omkring 18%.I detta sammanhang må erinras om
förhållandet mellan ångförbrukningen vid stående kokare relativt roterande. De Sann snes liar temperaturen ett betydande
inflytande eller
förra måste ju arbeta med betydligt större vätskemängd,
vilken tillsättes i form av svartlut. Av
undersökningar utförda å annat håll,
som välvilligt ställts till förfogande, framgår, att den specifika ångförbrukningen legat 55%
högre än vid de roterande kokarna.
Detta överensstämmer ganska väl med en beräkning, som visar, att 50% merförbrukning kunde hava förväntats.
Skillnaden är ju
avsevärd och betyder ju ett principiellt` fel vid de stående
kokarna. För belysning av strålningsförlusternas inflytande har ett diagram
upprättats, som visas å följande bild.
Därvid har det måst antagas, att kokarna hava samma form,
som uttryckes av formeln volymen == 1,23 X diametern i kub. På vänstra sidan
visas den absoluta strålningen pr kok på 2
1/2 timme, på högra sidan den relativa strålningen pr kok och kubikmeter kokarevolym. Det framgår bl.a. att de små………
……..ångförbrukningen vid blekmassetillverkning, som är
ungefär densamma som vid kraftmassa räknat pr
Såsom ett sammanfattning av de av dessa undersökningar vunna
resultaten må anföras:
Ångförbrukningen
vid samtliga värmeförbrukande processer vid sulfat-cellulosafabrikationen
bedriven enligt S-S-systemet är i huvudsak ett
funktion av vedens och vitlutens vattenhalt. Hushållningen med detta vatten,
den s.k. vattenekonomien är således av avgörande
betydelse för ångförbrukningen. Vid ett visst tekniskt tillstånd hos en
sulfatfabrik kan ångförbrukningen hos dess skilda avdelningar genom anförda
formler beräknas ur vedens och vitlutens vattenhalt.
Effektiv
vattenekonomi kan inbespara mer än 2 ton ånga pr ton massa.
Värdet härav för en 10,000 tons anläggning kan sättas till. 200,000 kr. per år vid ett bränslepris av 100 kr per ton stenkol.
Kokprocessen är, då avloppsvärmet kan tillgodogöras, obetydligt
värmeförbrukande och är tvärtom i någon mån värmealstrande.
Det vid kokning av kraftmassa alstrade
reaktionsvärmet är 1,2 % av vedens bombkalorimetriska
förbränningsvärme.
Den specifika
förbrukningen av primär ånga kan vid fasta kokare vara 50%
högre än vid roterande.
Blekmassans totala
ångförbrukning i förhållande till kraftmassan är omvänt proportionell mot
massautbytet.
För den totala
ångförbrukningen har indirekt kokning vid kraftmassetillverkning ingen nämnvärd
värmebesparande betydelse vid S-S-systemet, om avdunstningsanläggningen är
tillräckligt stor, och avloppsångan kan utnyttjas. Den indirekta kokningens
betydelse är indirekt, i det den avlastar avdunstningsanläggningen, vilken därvid lämnar en ringa mängd avloppsånga för torkmaskinen,
om så önskas.
Sulfatfabrikationen
enligt S-S-systemet kan bliva självförsörjande med
värme, om vattenekonomi effektivt genomföres, och verkningsgraden vid
sodapannanläggningen kan höjas till