Energieeffizienzsteigerung des Trocknungsprozesses einer Tissue-Papiermaschine

Abstract

Die Trocknung stellt einen Schlüsselprozess in der Papierherstellung dar. Neben der Kosten- und Investitionsintensivita ̈t des Prozesses ist er auch ein wesentlicher Einflussfaktor fu ̈r die Qualität des Papiers. Bei der Trocknung des gequollenen Papiers bilden sich an denÜberchneidungspunkten der Fasern interfibrillare Wasserstroffbru ̈cken aus, die maßgeblich fu ̈r die mechanische Eigenschaften des trockenen Papiers sind.<br />Aufgrund der immer strafferen Qualitätsvorgaben durch den Kunden, nimmt die Trocknung auch auf diesem Gebiet mehr an Bedeutung zu.<br />Hauptsächlich wird Kontakttrocknung, in Form von dampfbeheitzten und rotierenden Druckzylindern, angewendet. Um die spezifische Dampfleistung zu erhöhen und um den Dampfstrom unmittelbar vom Papier abzusaugen, damit es sich nicht in der Papiermaschinenhalle ansammelt, wurden Trock- nungshauben entwickelt. Diese Hauben nutzen die konvektive Trocknung mit Luft. Dabei wird der Trocknungsstrom nicht tangential u ̈ber das Gut, sondern in Form einer Prallströmtrocknung senkrecht auf das Papier geblasen.<br />Infrarottrocknung za ̈hlt zu den beru ̈hrungslosen Trocknungsverfahren. Sie werden zumeist zur Querprofilausgleichung verwendet. Eine neue Form der Trocknung ist die Impulstrocknung. Durch hohen Druck und schlagartiges Entspannen wird hier das Wasser verdampft.<br />Diese Form der Trocknung muss aber sehr vorsichtig angewendet werden, da sonst eine Papierscha ̈digung durch Dampfexplosionen entstehen kann.<br />Mit der Steigerung der Produktivität einer Papiermaschine durch Umbauten in der Sieb- oder Pressenpartie wird ha ̈ufig die Trockenpartie zu einem Engpass. Diese Limitierung muss beseitigt werden, um effizient produzieren zu können. Hierzu ist es notwendig, aufwendige maschinenbauliche Veränderungen vorzunehmen, z.B. durch die Installation weiterer Trockengruppen - soweit noch Platz verfügbar ist - oder durch den Austausch einer herkömmlichen Trockengruppe durch eine Impingement- oder Impulstrockengruppe Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, den Trocknungsprozess des Tissue-Papiers zu optimieren und die Einflu ̈sse der wesentlichsten Parameter zu beschreiben, um eine höhere Transparenz für den Anwender zu gewinnen. Weiters soll nach Abschluss eine Aussicht auf weitere Vorgehensweisen gegeben werden, um die offene Fragen in nachfolgenden Untersuchungen beantworten zu können

This master thesis describes the possible optimization potential of an existing tissue paper machine gashood. Due to the huge energy demand of the paper drying process, energy saving measurements became more important in the last years. So the paper mill SCA Ortmann decided to start an energy audit to optimize and save energy.<br />The drying section of a tissue-paper machine consits of a mechanical, a convective and a contact dehydration system. The mechanical drying is provided by two presses. The first press is a vacuum rubber press. The second press is an usual rubber press. The contact drying system is formed by a huge overpressured and rotated cylinder, called Yankee. To generate the drying power, a saturated steam condenses in the cylinder.<br />The convective drying section is formed by a gashood. This hood is located above the Yan- kee. A hot drying fluid, mostly air, streams vertical downwards the hood and impinges on the paper surface. This technique has very high specific evaporation ratios.<br />Based on a survey report from the gashood manufacturer, a calulating model was developed by the author of this thesis. With common formulas and specific paper physics fundamentals, it was possible to compute the parameter of the drying process. Several process parameter were varied to detect the influence on the drying process. The variation lead to the solution, that the impingement moisture should be as low as possible to increase the drying performance. But the gashood has limited options to change the system conditions. Fan speeds of the exhaust and recirculaton fans, the impingement temperature of the wet-end section and the damper positions can be changed by the user.<br />The easiest and cheapest way to lower the impingement air moisture can be achieved by creating a higher pressure difference between the two hood sections. This pressure drop pro- vides the counterflow from the Dry- to the Wet-End. Because of the lower air moisture in the Dry-End section, a higher counterflow leads to lower WE air moisture. Another positive effect of a lower air moisture is the higher density of the fluid. This leads to lower volume flow using the same mass flow. Lower volume flow leads to lower fan power.<br />This thesis even showed, that the Wet-End recirculation fan speed has an influence on the drying process. A higher speed provides the impingement condition and the mass transfer of the water from paper to the air. Due to the better conditions on the Wet-End side, the Dry-End can reduce the gas flow. The reduction of the Dry-End is higher, than the additional electrical consumption on the Wet-End.<br />Another positive effect could be observed by changing the impingement temperature of the Wet-End section. A higher impingement temperature needs more gas for the Wet-End but due to the better impingement condition, the entire gas consumption loweres. The higher impingement temperature leads to higher back flows of the hood system. This back flows getting recycled to the burner. A higher heat flow of the recycled flow supports the heating process in the burner.<br />The exhaust fan speed an the Dry-End fan speed showed no useful optimization potential. Next to the measurements with no rebuild requirements, one cheap and promising option for lowering the specific gas consumption, was developed. An additional freshair flow, pumped by the Wet-End freshair fan, has to be injected in the Wet-End recirculation channel. This leads to lower air moisture and better impingement conditions. This option needs more fanpower but reduces the gas consumption. Especially the specific gas consumption can be lo- wered very much.<br />The damper variation was chosen to detect the influence in reality. The damper was clo- sed slightly to avoid a critical low pressure in the hood. Due to the variable production conditions the optimization measures were not easy to detect. Although a reduction of the specific gas consumption during the TOPA production could be achieved.