Modelling of a lime kiln using renewable fuels and study of oxyfuel combustion
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-06-14
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
65 + 8
Series
Abstract
In kraft pulp mills, lime kilns are used in one of the processes to complete the chemical recovery cycle. The calcination reaction inside the lime kiln requires heat, which has been traditionally provided by combustion of fossil fuels. Due to tightening environmental regulations, the pulp and paper industry has started to implement more renewable fuels in pulp mills. This trend has led to more interest on renewable fuel integration into the lime kiln. The aim of this thesis is to construct a process simulation model of a lime kiln. The lime kiln is modelled using natural gas and four different renewable fuels. Two different combustion processes are implemented in the model as well: a traditional combustion process with air, and an oxyfuel combustion process. The model gives the user results such as fuel consumption and amount of carbon dioxide emissions. The model is created by using the process simulation software Aspen Plus. The literature review is used to choose appropriate boundary conditions and initial values for the model. The results provided by the model are also compared to similar models created in other studies and data from real lime kilns. An overview of economic feasibility for different renewable fuels is done shortly to compare the fuels outside of the model results. The results from the model showed that the model works well in predicting most operating parameters, but some emissions are not calculated properly. While renewable fuels can have some adverse effects on the combustion process in the lime kiln, the overall process efficiency is comparable to using natural gas. It was concluded by the model results and the economic feasibility analysis that gasification of wood residues is one of the best alternatives to implement a renewable fuel for the lime kiln. Oxyfuel combustion works well in decreasing fuel consumption in the lime kiln but implementing the combustion process can come with high investment and running costs.Sulfaattisellutehtaissa meesauunia käytetään tehtaan kemikaalikierron täydentämiseksi. Meesauunin sisällä tapahtuva kalsinointireaktio vaatii lämpöä, joka on perinteisesti tuotettu fossiilisia polttoaineita polttamalla. Kiristyvän ympäristösääntelyn takia paperi- ja selluteollisuus on alkanut käyttämään enemmän uusiutuvia polttoaineita sellutehtaissa. Tämä trendi on johtanut suurempaan kiinnostukseen uusiutuvien polttoaineiden käytössä meesauunissa. Tämän diplomityön tarkoituksena on rakentaa prosessisimulointimalli meesauunista. Meesauunia mallinnetaan maakaasun sekä neljän uusiutuvan polttoaineen kanssa. Myös kaksi erilaista polttoprosessia asetetaan toimimaan malliin: perinteinen polttoprosessi ilman kanssa, sekä happipolttoprosessi. Malli antaa käyttäjälleen erilaisia tuloksia operointiparametreista, kuten polttoaineen kulutuksesta sekä hiilidioksidipäästöjen määrästä. Malli luodaan käyttämällä prosessisimulointiohjelmaa Aspen Plus. Kirjallisuuskatsausta käytetään valitsemaan sopivat rajaehdot ja aloitusarvot mallille. Mallien tuottamia tuloksia vertaillaan muissa töissä tehtyihin malleihin sekä oikeiden meesauunien käyttödataan. Tässä työssä tehdään myös lyhyt yleiskuva uusiutuvien polttoaineiden taloudelliseen soveltuvuuteen meesauunia varten. Mallin tulokset esittivät, että meesauunimalli toimii hyvin useimpien käyttöparametrien ennustamiseen, mutta osaa päästöistä ei lasketa oikein. Vaikka uusiutuvilla polttoaineilla voi olla joitain huonoja vaikutuksia meesauunin polttoprosessiin, niin prosessin kokonaishyötysuhde on verrattavissa maakaasuun polttoon. Mallin tulosten sekä taloudellisen katsauksen perusteella voidaan päätellä, että puujätteen kaasutus on yksi parhaista vaihtoehdoista uusiutuvaksi polttoaineeksi meesauuniin. Happipolttoprosessi toimii hyvin polttoaineen kulutuksen vähentämisessä, mutta prosessin käyttäminen voi vaatia suuria investointi- ja käyttökustannuksia.Description
Supervisor
Järvinen, MikaThesis advisor
Kankkunen, AriKeywords
lime kiln, Aspen Plus, oxyfuel combustion, renewable fuels