Simulation of Energy Efficiency Enhancement and Emission Reduction Strategies in Kraft Recovery Boilers

Abstract

Die beschleunigte globale Erwärmung stellt erhebliche ökologische, soziale und wirtschaftliche Herausforderungen dar und führt zu weltweiten Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. In der Zellstoff- und Papierindustrie zählen Kraft-Recovery-Boiler-Prozesse (KRB) zu den bedeutenden CO2-Emissionsquellen mit etwa 1 bis 3 Tonnen CO2 pro Tonne Zellstoff. Daher sind Effizienzsteigerungen und die Integration von CO2-Abscheidungstechnologien entscheidend, um Emissionen zu senken und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit zu sichern.Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Simulationsstudie eines KRB-Prozesses. Neben dem KRB-Modul wurden Speisewassersysteme, Rauchgaskondensatoren, CO2-Abscheidungseinheiten sowie optional Absorptions- oder Kompressionswärmepumpen integriert. Mehrere Modellversionen wurden schrittweise erweitert, um den Einfluss zusätzlicher Komponenten auf elektrische, thermische und energetische Effizienz zu untersuchen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen der Befeuchtung der Verbrennungsluft, der direkten Brennstoffbefeuchtung und der Wassereinspritzung in das KRB-Modell analysiert.Die Ergebnisse zeigen, dass optimierte Integrationsstrategien für Rauchgaskondensation und Wärmepumpensysteme die energetische Effizienz deutlich steigern können. Version 4.5 erreicht mit 46,30 % den höchsten Wert. Während die elektrische Effizienz aufgrund des zusätzlichen Dampfbedarfs leicht sinkt, verbessert sich die Gesamteffizienz durch eine intensivere Abwärmenutzung. Besonders die Befeuchtung der Verbrennungsluft erhöht die Kondensationswärmerückgewinnung und steigert die energetische Effizienz deutlich. Die direkte Brennstoffbefeuchtung bietet hingegen nur begrenzte Vorteile, ebenso wie die Wassereinspritzung, die zwar das Kondensationspotenzial erhöht, jedoch die elektrische Effizienz reduziert.Insgesamt zeigt die Studie, dass die Integration von Rauchgaskondensation, Wärmepumpen und CO2-Abscheidung die Energieausnutzung verbessert und Emissionen reduziert. Die Befeuchtung der Verbrennungsluft erweist sich dabei als effektivste Maßnahme zur Effizienzsteigerung ohne wesentliche Leistungseinbußen und liefert wichtige Erkenntnisse für nachhaltige Zellstoff- und Papierproduktionssysteme.

The accelerated global warming poses significant ecological, social, and economic challenges and has led to worldwide efforts to reduce greenhouse gas emissions. In the pulp and paper industry, Kraft recovery boiler (KRB) processes represent a major source of CO2 emissions, ranging from approximately 1 to 3 tons of CO2 per ton of produced pulp. Therefore, improving energy efficiency and integrating CO2 capture technologies are essential to reduce emissions while maintaining economic viability.This work presents a comprehensive simulation study of a KRB process. In addition to the KRB module, feedwater systems, flue gas condensers, CO2 capture units, and optionally absorption or compression heat pumps were integrated. Several model versions were progressively expanded to evaluate the influence of additional components on electrical, thermal, and overall energetic efficiency. Furthermore, the effects of combustion air humidification, direct fuel humidification, and water injection into the KRB model were analyzed.The results show that optimized integration strategies for flue gas condensation and heat pump systems can significantly increase energetic efficiency. Version 4.5 achieves the highest value of 46.30%. While electrical efficiency slightly decreases due to additional steam demand, overall performance improves through enhanced waste heat utilization. In particular, combustion air humidification increases condensation heat recovery and significantly improves energetic efficiency. Direct fuel humidification provides only limited benefits, similar to water injection, which increases condensation potential but reduces electrical efficiency.Overall, the study demonstrates that integrating flue gas condensation, heat pumps, and CO2 capture improves energy utilization and reduces emissions. Combustion air humidification proves to be the most effective measure for increasing energetic efficiency without significantly affecting power output, providing important insights for sustainable pulp and paper production systems.