SE452995B - Reglering av lutatervinningsaggregat - Google Patents

Description

452 995 Efter den s k kokprocessen separeras de frilagda cellulosafibrerna från utlöst lígnin, andra vedrester samt de använda kemikalierna 1 en s k tvätt- process. Den utlösta vedsubstansen, ofta utgörande cirka 50 % av ursprung- lig vedmängd, samt använda kemikalier erhålles i form av en s k tunnlut med en torrsubstanshalt av cirka 15 %.

En stor del avtunnlutensvatteninnehåll avlägsnas i en indunstningsanlägg- ning varigenom man erhåller en s k tjocklut med en torrhalt normalt över- stigande 60 %. Det är denna tjocklut som förs till det lutåtervinningsaggre- gat vars funktion regleras genom ett förfarande enligt denna uppfinning.

I lutåtervinningsaggregatet förbränns tjocklutens vedsubstans och utveck- lad energi tillvaratages i form av högtrycksånga. Den genererade ångan räcker normalt för att försörja massafabriken med ånga.

I aggregatet sker även en regenerering av tjocklutens innehåll av kemika- lier. Av de regenererade kemikalierna bereds ny kokvätska för massafram- ställningen. Kemikaliehanteringen vid framställning av kemisk massa utgörs således av ett slutet kretslopp där lutåtervinningsaggregatet är den centra- la och mest kapitalkrävande processenheten.

Lutåtervinningsaggregatet består av en förbränningsugn med en ansluten ångpanna. För att få ett begrepp om ett sådant aggregats storlek kan anges att ett typiskt modernt aggregat har en b°ttenyta på cirka 100 m2 och en höjd av cirka 50 m. Förbränningsugnen består av väggar av tätt placerade ståltuber med utanpå väggarna liggande isolering. Även bottnen av ugnen är täckt med tuber. Tuberna är anslutna till vatten- respektive ângdomen på en ångpanna och utgör en del av eldytan. Tjocklut sprutas in i ugnen genom s k lutsprutor monterade i öppningar i ugnens väggar.

I portar runt om ugnens periferi insprutas, normalt på tre olika nivåer, förbränningsluft till ugnen. Efter det att förbränningsprocessen på olika sätt har startats fortsätter denna med hjälp av den tillförda förbrännings- luften, varvid lutens innehåll av organisk substans förbränns och förbrän- ningsgaserna passerar upp genom ugnen och genom ângpannans tubsystem, där gaserna avger sitt värmeinnehåll till matarvattnet. Detta kommer då att koka och generera ånga. 10 20 25 30 452 995.

Lutens innehåll av oorganiska kemikalier smälter och samlas i en s k bädd på ugnens botten. Bädden utgöres av oorganiska kemikalier samt ett kolske- lett härrörande från lutens organiska innehåll. Regenereringen av kemika- lierna innebär bl a att ingående svavel reduceras. De regenererade kemika- lierna förs, i form av smälta, genom rännor ut ifrån ugnen.

Lutåtervinningsaggregatet är således en reaktor, vari såväl en oxidations- process som en reduktionsprocess avses äga rum. De båda processerna är ej separerade från varandra genom anläggningens utformning. Man måste i stället försöka köra anläggningen så att tjocklut respektive lufttillför- sel sker så att reducerande förhållanden kan upprätthållas i ugnens nedre del samtidigt som oxiderande processer äger rum något högre upp. Reduk- tionseffektiviteten, dvs hur stor del av det utgående svavlet som är redu- cerat, är av stor betydelse för massafabrikens driftekonomi m m. Vidare är förbränningseffektiviteten mycket betydelsefull för fabrikens energi- balans.

Tjookluten tillföres normalt genom brännaranordningar av olika slag. Dessa kallas ofta lutsprutor och mynnar ofta ut i enkla munstycken försedda med någon form av spridarplatta eller "läpp". Brännarna är ofta utformade så att de kan röra sig både i vertikal och i horisontell riktning.

Normalt förfarande vid reglering av tjockluttillförseln till ugnen är att trycket i ledningen omedelbart före munstycket mätes och får påverka en ventil efter tjocklutpumpen så att trycket hålles konstant enligt I GX "Lutförbränning" Sveriges Skogsindustriförbund (Y~212), sid 22.

En annan och mera avancerad variant som utnyttjas i vissa datoriserade styrsystem är att reglera lutflödet med utgångspunkt från en mätning av lutens torrsubstanshalt. Mätningen utförs normalt av en brytningsindex- mätare eller av en gammastrålningsdämpningsmätare. Mätningen utnyttjas så som ett mått på lutens innehåll av torrsubstans och får påverka den flö- desreglerande ventilen så att en viss torrsubstans tillföres aggregatet.

Härigenom fås en viss förbättring av stabiliseringen av reaktionsproces- serna i ugnen. Referens: Chamberlain, Lofkrantz, Smith - Computer control of recovery furnace smelt reduction, fouling and corrosion, CPPA 198? Process Control Symposium. 10 20 25 30 452 995 I ytterligare en annan metod, också utnyttjad i datoriserade styrsystem, anpassas lutens temperatur med hänsyn till torrsubstanshalt. Detta görs så att luttemperaturen regleras uppåt eller nedåt i förhållande till torr- substanshaltens variation. Referens: Livonen - Computer control in the recovery area of the kraft process, TAPPI vol 61, No 11, sid 57-61.

Tjocklutens egenskaper såsom viskositet, densitet, temperatur, kemikalie- innehåll, torrsubstanshalt m m påverkar i hög grad lutåtervinningsaggre- gatets funktion och effektivitet. Dessa egenskaper varierar också ofta kraftigt. Detta innebär att reaktionerna i ugnen utsättes för stora stör- ningar, vilket kan leda till stora problem för upprätthållande av god eko- nomi och tillgänglighet. Störkällor kan vara följande: Värmevärdet hos och mängden av organisk substans i tjockluten varierar till följd av varierande råvara och betingelser vid massaframställningen.

Lutens innehåll av kemikalier varierar med variationer i massaframställ- ningen.

Lutens vatteninnehåll varierar också till följd av driftsvariationer i massaframställningen och framförallt vid driftsvariationer i índunstnings- anläggningen.

I ugnen bildas stora stoftmängder som följer med rökgaserna upp genom pan- nan. Stoftet återvinns normalt till större delen i elektrofilter och åter- förs till tjockluten. Detta innebär att lutens kemikaliehalt varierar på grund av variationer i stoftmängd som âterförs från elektrofiltren.

Sammantaget innebär detta att tjocklutens egenskaper varierar både med av- seende på tjocklutens värmevärde och dess reologiska egenskaper. Värme- värdesvariationerna påverkar direkt förbränningsprocessen och indirekt reduktionsprocessen genom att reduktionen påverkas kraftigt av temperatu- ren i ugnsrummet. De reologiska egenskaperna, dvs bl a viskositet och den- sitet, påverkar i sin tur kraftigt hur luten fördelas i ugnsrummet. Häri- genom påverkas även torkningen av tjockluten, pyrolys av lutens organiska innehåll och förbränning av luten. Genom att lutens spridning i ugnen störs och varierar är det vanligt att lutpartiklar följer med rökgaserna och orsakar allvarliga beläggningar på värmeytor och begränsar därmed värme- överföringen och kan medföra att anläggningen måste stannas för rengöring. 15 20 25 30 35 452 995 De visade exemplen på befintlig teknik för att upprätthålla en god funk- tion hos lutåtervinningsaggregatet utgör mer eller mindre bra exempel på hur man försöker reducera de problem som har redovisats. Befintliga lös- ningar innebär ofta suboptimering av återvinningsprocessen på så sätt att de förbättrar funktionen eller reducerar effekten av vissa parametervaria- tioner men har ingen effekt på andra typer av egenskapsvariationerí Meto- den med torrsubstanshaltmätning tar t ex inte hänsyn till att lutens inne- håll av organiskt och oorganiskt material varierar. Ej heller tar denna metod hänsyn till att tjocklutens reologiska egenskaper kan variera vid en given torrsubstanshalt.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Som det har framgått av redovisningen av teknikens ståndpunkt i samband med lutåtervinningsaggregatet finns fortfarande stora processtekniska pro- blem för att kunna upprätthålla stabil och god funktion hos sådana aggre- gat både vad effektivitet, förbränning och reduktíon beträffar. Ett för- farande enligt denna uppfinning innebär att man har tagit fram en regler- parameter för aggregatets funktion med vars hjälp konsekvenserna av varie- rande lutegenskaper kan reduceras.

Det har tidigare i beskrivningen indikerats att det är mycket viktigt för de olika processerna och reaktionerna inne i ugnen hur luten sprides eller fördelas i ugnsrummet. Spridningen påverkas förutom av lutens egna egenska- per även av lutsprutans form och av lutsprutans läpps längd. Spridningen innebär att luten en bit ut från läppen övergår i droppform och det är mycket viktigt och önskvärt att droppformsbildningen kan vara konstant och oberoende av lutens egenskapsvariationer. Studium har visat att det finns ett samband mellan lutskiktets tjocklek omedelbart efter det luten har lämnat läppen och droppbildningen. Visserligen varierar luttjockleken något runt läppens periferi. Men det har visat sig att om man kan hålla lutskiktets genomsnittliga tjocklek omedelbart efter det att luten har lämnat läppen på ett visst konstant värde oberoende av lutens egenskapers variation erhålles en konstant och tillfredsställande droppbildning och därmed även mest gynnsamma förutsättningar för en störningsfri drift.

Tyvärr finns det för närvarande inga praktiska möjligheter att göra en direkt mätning av skikttjockleken och hur den varierar runt läppen för att på detta sätt få ett mått på den genomsnittliga lutskikttjockleken v 452 995 omedelbart efter det att den har lämnat läppen. Med hjälp av teoretiska och empiriska studier av lutens strömning och fördelning på läppen har man lyckats få fram ett indirekt mått på den genomsnittliga skikttjock- leken och hur detta mått varierar med lutens egenskaper och lutsprutans form och dimension. Detta mått definieras som "droppindex = DIX" och ut- gör ärvärdet i en sluten droppindexreglering.

Som antytt tidigare mynnar ofta en lutspruta ut i enkla munstycken för- sedda med någon form av spridarplatta eller läpp. Andra utföranden före- kommer också. På samma sätt som man vid en lutsprutkonstruktion med läpp kan definiera ett DIX-värde kan man även för andra konstruktionslösningar definiera ett DIX-värde som anger lutskíktets genomsnittliga tjocklek omedelbart efter det att luten har lämnat lutsprutan.

För att åstadkomma önskat DIX-värde kan en eller flera av aktuella lut- egenskaper, t ex viskositet, temperatur m m,_påverkas. Uppfinningen går således ut på att åstadkomma en väldefinierad och konstant droppstorlek.

Fördelarna med detta är att möjligheterna att hålla olika zoner såsom torkzon, pyrolyszon, reduktionszon och slutförbränningszon separerade från varandra ökar väsentligt.

RITNINGSFÖRTECKNING Figur 1 visar hur lut tillföres ett lutåtervinningsaggregat och de mät- ningar av lutens egenskaper som behövs enligt uppfinningen.

Figur 2 visar hur ett värde pâ den storhet som skall regleras kan fram- tagas.

Figur 3 visar ett slutet reglersystem enligt uppfinningen med en inre slu- ten temperaturreglering.

Figur U visar ett slutet reglersystem enligt uppfinningen med dels en inre sluten viskositetsreglering och dels en inre sluten temperaturreglering.

UTFÖRINGSFORMER Väsentligt i denna uppfinning är förfarandet för att åstadkomma DIX-vär- det. Specifikt för uppfinningen är att detta värde utnyttjas som ärvärde 10 15 20 25 30 452 995. i en sluten DIX-reglering. Några alternativ för hur DIX-reglersystemet kan byggas upp skall anges tillsammans med en föredragen utföringsform.

I figur 1 visar hur tjocklutpumpen 1 driver fram lut till ugnen. Trycket PT i ledningen omedelbart före ugnen regleras med en regulator REG med tillhörande ventil 2, vilket som tidigare nämnts utgör del av känd teknik.

Lutens temperatur kan pâverkas via ångelement 3 och reglerventil 4. Luten tillföres ugnen, visat i form av ett snitt 5, via en lutspruta 6 med spri- darplatta eller läpp 7.

Det har tidigare antytts att DIX-värdet är uppbyggt av lutens egenskaps- parametrar och lutsprutans form och dimension. De storheter som ingår mätes på konventionellt sätt med givare av olika slag, som avger lämpliga elektriska signaler för vidare behandling. Som framgår av figur 1 erhålles lutflödet med givare FT, lutens dynamiska viskositet med givare n och lu- tens densitet med givare p. Tillgänglig i form av elektriska signaler är också lutsprutans öppningsarea A och ett karakteristiskt mått på spridar- plattan. För reglerändamål som skall beskrivas senare finns även lutens temperatur tillgänglig via givare TT samt även lutens kinematiska viskosi- tet v, vilken som bekant kan skrivas n/p.

Spridarplattan har i regel en nästintill cirkulär form. Ett centrum på plattan kan definieras där lutsprutans centrumlinje träffar plattan. Måt- tet H utgör det genomsnittliga avståndet från det definierade centrumet och ut till plattans periferi.

Det tidigare omtalade indirekta måttet DIX på den genomsnittliga skikt- tjockleken hos luten omedelbart efter det att den har lämnat lutsprutans sprídarplatta kan uttryckas som 1 nIx=1< ^+x<(-'->f=1< å+1<(%-Å.H)% VH evo 1 FT Förutom tidigare angivna storheter förekommer lutens utgângshastighet 1 och kz. K1 ningsvínkel i radianer på spridarplattan i plattans plan. ka = B/Vä, där vo = FT/A (m/s) och konstanterna k = 1/Q, där u är lutens sprid- B är en konstant som baserad på teori för gränsskiktet anger lutskiktets beroende av viskositeten hos luten och där Jš hänför sig till ett tänkt rotationssymmetriskt utförande av lutsprutan. 10 15 20 25 30 452 995 De beräkningar som behöver utföras i räkneelementet CALC i figur 1 är som det har framgått synnerligen enkla sådana och kan valfritt utföras i analog eller digital teknik. I figur 2 visas ett exempel på ett utför- ande med don för division 8, 9 och 10, don för multiplikation 11, 13 och 1% och don för kvadratrotsbildning 12 och för summering 15.

För en given lutspruta med fast öppningsarea A och läpplängd H kan DIX- uttrycket ytterligare förenklas. Med Å H , a = kï EE och b = kz ( -9 )§ 0 0 erhålles _ __=1_% DIx-a+b(p_FT) varvid beräkningsproceduren blir än enklare.

Med tillgång till ett börvärde för DIX och ett ärvärde enligt det redo- visade förfarandet kan ett slutet reglersystem för upprätthållande av konstant skikttjocklek utformas på mångahanda olika sätt. Börvärdet för DIX sätts med hänsyn till driftsförhållandena främst vad beträffar till- förd lutmängd och luftflöde av aggregatets operatör eller av överordnad reglering.

Ett sätt att påverka luten så att DIX-värdet kan hållas konstant är att påverka lutens temperatur. Detta kan lämpligen göras genom att styra ång- tillförseln till lutvärmaren 3 via ventilen H enligt figur 1. Det kan då vara lämpligt att ha detta förfarande i form av en inre sluten temperatur- reglering. Ett principschema för en sådan reglering visas i figur 3. Ut- signalen från DIX-regulatorn 16 utgör då på känt sätt börvärde för den inre slutna temperaturregleringen, vars ärvärde erhålles från TT-givaren.

Utgångssignalen från temperaturregulatorn 17 kan på lämpligt sätt styra värmetillförseln till luten via ventilen U. Regulatorerna kan lämpligen ha karaktär av PI eller PID och kan vara utformade i analog teknik eller digital teknik med motsvarande PI eller PID algoritmer Så som i reglersystem i allmänhet kan man även här uppnå bättre prestanda både vad stabilitet och dynamisk och statisk noggrannhet och snabbhet i 10 452 995 utreglering av störningar beträffar genom lämpligt val av inre återför- ingar.

Ett reglersystem som för närvarande anses vara det som ger de bästa prestanda framgår av figur U. Förutom de reglersystem som framgår av figur 3 ingår här även en inre sluten viskositetsreglering med viskosi- tetsregulator 18. Ärvärdet för lutens kinematiska viskositet erhålles på visat sätt via CALC-elementet 1 figur 1 och i enlighet med figur 2.

I de visade exemplen har DIX-värdet påverkats genom lutens temperatur.

Ytterligare alternativa sätt att påverka DIX-värdet kan vara - genom att ändra lutsprutans geometri - genom att ändra lutens hastighet t_ex genom att påverka trycket eller lutflödet - genom att till luten tillsätta viskositetssänkande medel - genom att ändra lutsprutans vinkel relativt ugnsväggen - genom att ändra eller påverka återföringen av stoft - genom inblandning av lut med annan temperatur, annan viskositet, annan torrhalt, annan fördelning mellan organiskt/oorganiskt material.

Claims (3)

1. f+Å52 995 10 PATENTKRAV 1. Förfarande för att styra förbrännings- och reduktionsprocessen i ett lutâtervinningsaggregat (5) genom att via en lutspruta (6) påverka inmat- ning av tjocklut till återvinningsaggregatet k ä n n e t e c k n a t av att tjocklutflödets genomsnittliga skikttj0ck_ lek omedelbart efter det att tjockluten har lämnat lutsprutan (6) regleras till önskad storlek.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att som mått på tjocklutflödets genomsnittliga skikttjocklek omedelbart efter det att tjockluten har lämnat lutsprutan användes ett indirekt mått, DIX, som bestäms av ett samband mellan tjocklutens fysiska parametrar viskositet, densitet och frammatningshastighet och av lutsprutans geometriska para- metrar form, öppningsarea och läppens längd.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 och 2, k ä n n e t e c k n a t av att DIX kan bestämmas med ledning av ingående parametrar enligt v- H å v ) ' kï DIX = k 5 + k ( H 2 0 1 där k1 = konstant beroende av lutens spridningsvinkel i radianer på lutspru- tans läpp i läppens plan 3=~ u lutsprutans öppningsarea H = en genomsnittlig radie på lutsprutans läpp utgående från ett centrum beläget där lutsprutans centrumlínje träffar läppen kg = konstant beroende dels på lutskiktets beroende av lutens viskositet och dels på lutsprutans geometri v = lutens kinematiska viskositet I lutens dynamiska viskositet J II w 452 995 11 p = lutens densitet v = lutens frammatningshastighet i FT _ lucflöae , 4- Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att påverka lutens temperatur (TT). 5- Förfarande enligt patentkrav 1 och 4, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen har en inre sluten reglerkrets som utgöres av en lut- temperaturregleríng. 6. Förfarande enligt patentkrav 1 och 5, k ä n n e t e c k n a t av att den inre slutna luttemperaturregleringen 1 DIX-regleringen komplette- ras med en inre sluten viskositetsregleríng. 7. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att lutsprutans geometrí ändras. 8. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att lutens hastighet ändras genom att påverka trycket (PT) 1 lutsprutan. 9. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att lutens hastighet ändras genom att påverka lutflödet (FT). 10. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIA-regleringen verkställs genom att lutens viskositet påverkas med vis- kositetssänkande medel. 11. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX~regleringen verkställs genom att lutsprutans vinkel mot ugnsväggen ändras. 12. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att återföringen av stoft ändras. 452 995 15. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att luten blandas med lut av annan vis- kosítet. lä. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom atE'luten blandas med lut av annan tem- peratur. 15. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX~regleringen verkställs genom att luten blandas med lut av annan torr- halt. 15- Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att DIX-regleringen verkställs genom att luten blandas med lut med annan för- delning av organískt/oorganískt material. fu fb f'