Effect of recovery boiler plant electricity production increase on sustainability : Modelling and optimization approach

Abstract

Increasing recovery boiler electricity production is a part of Valmet’s sustainability targets. Thus, to reach the target there was a need for a study about the possibilities to increase the electricity production. In this work methods for increasing the recovery boiler plant electricity production and its effects on sustainability were studied. Literature research was done to identify and define sustainability indicators that can be used to assess sustainability of the electricity production increase. Moreover, methods for increasing the thermal power plant efficiency and recovery boiler specific constraints for electricity production were studied. Based on the company’s interests the increase of main steam parameters and reheat implementation with partial reheat mass flow were selected for further examination. It was also decided to optimize the reheat mass flow and the reheat temperature in order to maximize the electricity production. At the beginning the usability of existing boiler modelling tools for the electricity production calculation and optimization was studied. It was found out that due to limitations in the existing tools the optimization was not possible with them. Due to that it was deciced to develop a model for the recovery boiler electricity production and it was coupled with a particle swarm optimization algorithm for the reheat optimization. The model was verified with the existing modelling tools and it was noted that the accuracy of the developed model was good. However, inaccuracy was found from the main steam mass flow and it was stated to be caused by a simplification in the modelling process. The inaccuracy was fixed with a correction factor function defined with the existing modelling tools. The main constraints limiting the electricity production in the recovery boiler were identified to be usable boiler materials and corrosion especially in lower furnace and in superheater area. The maximum main steam parameters were defined based on the identified constraints and the electricity production was evaluated with the developed model. Moreover, multiple main steam parameters were examined regarding the boiler layout constraints. Those were evaluated in terms of the electricity production and sustainability. The reheat implementation was studied and the reheat parameters were optimized by using the developed model. Based on the results it was stated that the reheat concept with the partial mass flow was not feasible with the examined boiler configuration. Based on the results from the examination of the main steam parameter increase it was stated that the optimal main steam parameters for the examined boiler configuration were 540 °C and 125 bar when the starting point was 505 °C and 105 bar. It was also found out that the materials in lower furnace must be changed to more corrosion resistant alloys and the usage of a conventionally used composite tube was not possible due to wall thickness limitations if the mentioned main steam parameters were used. With the selected optimal main steam parameters the electricity production was increased 4 % with 2.8 year payback time.

Soodakattilalaitoksen sähköntuotannon lisääminen on osa Valmetin kestävyystavoitteita, joten tavoitteen saavuttamiseksi mahdollisuuksia kattilalaitoksen sähköntuotannon kasvattamiselle oli tutkittava. Näin ollen tässä työssä tarkasteltiin, kuinka soodakattilalaitoksen sähköntuotantoa voisi nostaa ja millaisia vaikuksia tuotannon kasvattamisella on kestävyyteen. Kestävyyden määritelmää ja sen mittaamiseen kehitettyjä kestävyysindikaattoreita tutkittiin kirjallisuudesta, jotta voitiin määrittää soodakattilalaitoksen kestävyyttä kuvaavat indikaattorit sähköntuotannon kasvattamisen tarkasteluun. Lisäksi tutkittiin tapoja kasvattaa lämpövoimalaitoksen hyötysuhdetta, sekä soodakattilaan liittyviä rajoitteita sähköntuotannon kasvattamiselle. Tarkempaan selvitykseen valittiin yrityksen kiinnostuksen mukaisesti päähöyryn parametrien nostaminen sekä välitulistuksen toteuttaminen siten, että välitulistettavan höyryn massavirta on rajoitettu. Välitulistuslämpötilaa sekä välitulistuksen massavirtaa päätettiin optimoida sähköntuotannon maksimoimiseksi. Aluksi selvitettiin voidaanko olemassaolevia mallinnustyökaluja hyödyntää sähköntuotannon laskemisessa sekä optimoinnissa. Johtuen mainittujen työkalujen rajoittuneisuudesta, optimointia ei ollut mahdollista suorittaa niiden avulla. Näin ollen sähköntuotannon määrittämiseksi kehitettiin malli soodakattilalaitokselle sekä se yhdistettiin parvioptimointialgoritmiin välitulistuksen optimointia varten. Mallia verrattiin olemassaoleviin työkaluihin ja sen tarkkuuden todettiin olevan hyvä. Ainoastaan kattilan päähöyryn massavirran laskennassa havaittiin merkittävämpää epätarkkuutta, jonka todettiin johtuvan mallinnuksessa tehdystä yksinkertaistuksesta. Epätarkkuus päähöyryn massavirrassa saatiin hallittua optimointia varten, käyttämällä korjausfunktiota, joka määritettiin olemassa olevilla mallinnustyökaluilla. Kirjallisuustarkastelussa pääasiallisiksi höyryn parametrien korottamista rajoittaviksi tekijöiksi tunnistettiin käytettävissä olevat kattilamateriaalit sekä korroosio erityisesti tulipesän pohjalla sekä tulistinalueella. Mainittujen rajoitteiden puitteissa määritettiin korkeimmat mahdolliset päähöyryn parametrit ja niiden vaikutus sähköntuotantoon laskettiin kehitetyn mallin avulla. Lisäksi tarkasteltavan kattilan geometriset rajoitteet huomioiden määritettiin useita tarkasteltavia konfiguraatioita, joiden kannattavuutta tutkittiin sähköntuontanto- ja kestävyysmielessä. Lisäksi tutkittiin välitulistuksen toteutusta, sekä optimoitiin välitulistuksen parametreja kehitettyä mallia hyödyntäen. Lopputuloksena todettiin, että välitulistus ei ole kannattavaa tarkastellussa laitoskonfiguraatiossa. Päähöyryn parametrien nostamiseen liittyvien tarkastelujen perusteella todettiin, että optimaaliset päähöyryn parametrit tarkastellulle kattilakonfiguraatiolle olivat 540 °C ja 125 bar lähtötilanteen ollessa 505 °C ja 105 bar. Lisäksi todettiin että kyseisten päähöyryn parametrien käyttämiseksi soodakattilan pohjan materiaali tulee muuttaa korroosiokestävämmäksi, eikä perinteistä pohjarakenteessa käytettyä komposiittiputkea voida hyödyntää seinämänvahvuuteen liittyvien rajoitteiden vuoksi. Mainituilla parametreilla saavutettiin 4 % lisäys sähköntuotantoon 2,8 vuoden takaisinmaksuajalla.