Development, Implementation, and validation of a kraft recovery boiler IPSEpro simulation model based on State-of-the-Art calculation methods

Abstract

In dieser Diplomarbeit wird die Modellentwicklung eines IPSEpro-Tools für die Simulation von modernen Kraftrückgewinnungskesseln der Zellstoffindustrie beschrieben. Die entwickelten Modelle basieren auf modernsten Berechnungsmethoden und wurden mit aktueller Literatur verglichen und validiert. Die Implementierung und Simulation wurde mit der Ingenieursoftware IPSEpro durchgeführt mit dem Zweck schnelle und präzise thermodynamische Ergebnisse in der Entwurfsphase zu erhalten ebenso wie die Auswirkungen von Änderung der Betriebsparameter in Bezug auf das Verhalten der Anlage zu untersuchen zu können. Das erste Kapitel beschreibt Kraftwiedergewinnungskessel sowie die in der Literatur vorgeschlagenen modernen Berechnungsansätze. Das zweite Kapitel behandelt die verwendete Software IPSEpro und dessen Aufbau. In Kapitel drei wird der allgemeine Entwicklungsprozess erläutert, beginnend mit dem Basismodell V1 und dessen Weiterentwicklung, um von den Vorteilen der verwendeten Software zu profitieren mit dem Ziel es benutzerfreundlicher und komplexer zu machen. Kapitel vier und fünf befassen sich mit der Änderung, Modellierung und Implementierung von Strömen bzw. der Kraft-Wärme-Kessel-Einheit. Im sechsten Kapitel, dem Benutzerhandbuch, wird erläutert, wie das entwickelte Modell praxisorientiert eingesetzt werden kann. In Kapitel sechs wird zuerst das Basismodell V1 validiert, welches nur um geringe Rundungsfehler abweicht. Des Weiteren werden die Ergebnisse des Model V2 in vier verschiedenen Fällen getestet, in welchen sich die Abweichungen im Toleranzbereich bewegen: Der erste Fall dient der Validierung des entwickelten Modells mit der ihm zugrunde liegenden modernen Berechnungsmethode (Tran & Grace). Der zweite Fall vergleicht Model V2 mit einem anderen Berechnungsansatz (Vakkilainen), bei dem die Diskrepanzen durch die unterschiedlichen Annahmen begründet werden können. Die dritte Validierung bestätigt die Vorhersagekraft des Modells, wenn der Parameter Schwarzlaugen-Trockenmassegehalt variiert wird. Die vierte und letzte Validierung des Referenzmodells V2 war aufgrund des fehlenden Einblicks in den genauen Berechnungsansatz der Studie, die getroffenen Annahmen usw. schwierig. In Kapitel acht wird schlussgefolgert, dass die mit dem entwickelten Modell erzielten Ergebnisse überzeugend und gültig sind. Verbesserungen bei der Modellierung von Schwarzlauge und Schmelze sowie die Einbeziehung eines internalisierten Staubabscheiders könnten das Modell verbessern.

This master thesis describes the model development of an IPSEpro tool for the simulation of modern Kraft Recovery Boilers in pulp industry. The developed models are based on state-of-the-art calculation methods, they were compared and validated with recent literature. The implementation and simulation were carried out in commercial engineering software such as IPSEpro Model Development Kit and IPSEpro Process Simulation Environment. The purpose of the tool is to have quick and precise thermodynamic results in the design stage of the Kraft Recovery Boiler, as well as to give the user the possibility to integrate the units in a mill or plant and research the impacts when changing operating parameters. The first chapter introduces the reader to Kraft Recovery Boilers and its state-of-the-art calculation approaches proposed by recent literature, the second chapter talks about the used software IPSEpro and its hierarchies. On that basis chapter three explains the general development process starting off with model V1 – the Base Model – and further evolving it, making it more user-friendly and complex by integrating the advantages of the software used. Chapters four and five talk about the modification, modeling and implementation of streams and the Kraft Recovery Boiler unit respectively. Chapter six, called User Manual aims to explain how to utilize the developed model in a practice-orientated manner. In chapter six firstly, the Base Model V1 is validated, giving identical results only varying in round-off errors. And secondly, testing the evolved Referenced Model V2’s computations with four different cases all proven show results within tolerable discrepancies: the first one aim validates the developed model with the state-of-the-art calculation method it is based (Tran & Grace) on. The second case is a comparison with another calculation approach (Vakkilainen) pinpointing the discrepancies through their distinct assumptions. The third chapter researches and shows the model’s precision of estimating the behavior of outputs when varying the black liquor dry solid content parameter. The fourth and last validation of the Referenced Model V2 was complicated due to the lack of insight into the study’s exact calculation approach, assumptions made, etc.Finally, chapter eight concludes that the obtained results given by the developed model are convincing and valid. Improvements in modeling black liquor and smelt as well as the inclusion of an internalized dust precipitator might enhance the model.