Production of Pellets Integrated with a Thermal Power Station : Economic and Technical Evaluation

Under de senaste årtiondena har efterfrågan av pellets ökat. Produktion av pellets är en energikrävande process där torkning av sågspån är den del som kräver mest energi. Därför behövs, av ekonomiska och miljömässiga skäl, att energieffektiva lösningar skapas. I denna rapport studeras en möjlig effektiviserad energianvändning genom att ett befintligt värmekraftverk integreras med en anläggning för produktion av pellets. Värme till torkningen av sågspån tas i form av ånga och rökgaser ifrån Åmotfors energis värmekraftverk. Fyra olika torktekniker av sågspån studeras där antingen luft eller ånga används som torkmedium. Två av de studerade fallen är ångtorkar, den ena använder värme i form av ånga vid 24 bars övertryck och den andra använder ånga vid 6 bars övertryck. Den tork som använder luft som torkmedium är en bäddtork. Ånga vid atmosfärstryck och rökgaser används för att värma upp uteluft till torken. Den fjärde torken är anpassad för att ge hög pelletsproduktion samtidigt som den är anpassad till de befintliga ångflöden som finns i värmekraftverket. Den använder både en bäddtork och en ångtork till torkning av sågspån. Målet med rapporten är att öka förståelsen kring tekniska begränsningar och möjligheter för olika torktekniker samt att avgöra vilken av de fyra studerade torktekniksfallen som är lämpligast vid en integrering. Resultaten tas fram med hänsyn till fyra faktorer: pellets-produktion, elproduktion, integrering och dimensionering av tork samt ekonomi. Där tyngdpunkten ligger på pelletsproduktionen i form av mängd tillverkad pellets per år och elproduktion i form av förändrad elproduktion per år efter integreringen. Dimensionering av tork används för att visa på vilka integreringar som kräver störst värmeväxlingsyta samt används till resultat och diskussion för ekonomi. Den ekonomiska utvärderingen avser att ge en fingervisning på vilken integrering som får högst/lägst investeringskostnad samt vilken som får kortast/längst återbetalningstid. Resultaten visar på att ångtorken med 24 bars värmeånga gav den högsta pellets-produktionen på nästan 250 000 ton/år, den kombinerade bädd och ångtorken fick näst högst pelletsproduktion på drygt 180 000 ton/år. Lägst pelletsproduktion fick bäddtorken. Alla integreringar med en ångtork gav en minskad elproduktion, medan fallet med en bäddtork gav en ökad elproduktion. Störst minskning i elproduktion gav ångtorken med värmeånga på 24 bar. Ekonomiskt var bäddtorken den integrering som hade lägst investeringskostnad men näst högst återbetalningstid på 5,7 år. Ångtorken med värmeånga på 24 bar hade den högsta investeringskostnaden men kortast återbetalningstid på 3,7 år. Beräkningarna på pelletsproduktionen visar på stora skillnader beroende på ifall det är en ångtork eller bäddtork som integreras. Ångtorkarna ger en hög pelletsproduktion och två av fallen ger en pelletsproduktion som skulle vara den högsta i Sverige. För elproduktionen blir resultaten de motsatta där ångtorkarna ger en minskad elproduktion och bäddtorken en ökad. Ångtorken med 6 bars övertryck och den kombinerade ång- och bäddtorken får den största minskningen i elproduktion då elproduktionen från lågtrycksturbinen helt försvinner. Beräkningar på torkarnas värmeväxlingsytor gav ett underlag för vidare beräkningar och diskussion kring ekonomi men än viktigare gav det en fördjupad förståelse i torkarnas uppbyggnad och teknik. De ekonomiska beräkningarna tar inte hänsyn till vissa faktorer så som ombyggnationer i det befintliga värmekraftverket samt kostnader för lager och värmeväxlare. Dessa faktorer tillsammans med att ekonomiekvationerna på ångtorkarna inte är helt anpassade till denna rapport gör att de är skapade för att användas som fingervisningar på ungefärliga skillnader i kostnader. Beroende på vilket faktor (pelletsproduktion, elproduktion, integrering eller ekonomi) som anses vara viktigast blir valet av fall olika. Ifall en hög pelletsproduktion anses vara av störst värde skall ångtorken med 24 bar övertryck eller den kombinerade bädd och ångtorken väljas. Om däremot elproduktionen värderas högst bör bäddtorken väljas, den är även det fall som kräver minst ombyggnationer av det befintliga värmekraftverket vid en integrering. Ekonomiskt så har bäddtorken den lägsta investeringskostnaden medan de två fall med högst pelletsproduktion ger den kortaste återbetalningstiden. During the recent decades the demand of pellets has increased. Production of pellets is an energy intensive process where drying of sawdust is the part that requires the most energy. In production of pellets energyefficient solutions needs to be created to achieve better environmental and economical results. This report studies a possible energy efficient solution of integration between an existing thermal power plant and a pellets production unit. Heat for the dryers is extracted from Åmotfors energi’s thermal power plant in the form of steam and flue gas. Four different drying techniques are studied where either air or steam are used as a drying medium. Two of the cases are steam dryers where one uses heat from steam at 24 bar overpressure and the other uses heat from steam at 6 bar overpressure. The dryer using air as the drying medium is a conveyor dryer where steam at atmospheric pressure, and flue gases is used to heat air for the dryer. The fourth dryer is designed to provide a high production of pellets while being adapted to the existing flows of steam in the power plant. It uses both a conveyor dryer and a steam dryer for drying sawdust. The objective of this report is to improve the understanding of technical limitations and possibilities for different drying techniques as well as to determine which of the four studied drying techniques is most suitable for an integration. The results are evaluated with respect to four factors: pellet production, power generation, integration and dimension of the dryers and economy. The focus is on pellets output in terms of quantity produced pellets per year and changes in the electricity generation. Design of drying is used to indicate those integrations that require the greatest heat exchange surface and is used for results and discussion for economics. Economy is calculated as an indicator on which integration that gets the highest/lowest investment cost and which one gets longest/shortest payback time. The results show that the steam dryer with 24 bar steam provided the highest pellet production of over 200 000 tonnes / year, the combined conveyer and steam dryer got the second highest pellet production of almost 200 000 tonnes / year. The conveyor dryer got the lowest production of pellets. All integrations with a steam dryer resulted in a reduced total production of electricity per year, while the case with an conveyor dryer increased the electricity production. The steam dryer with steam at 24 bar gave the greatest reduction in electricity production. Conveyor dryer was the integration that gave the lowest investment cost but the second highest payback time of 5.7 years. The steam dryer with steam at 24 bar had the highest investment cost but the shortest payback time of 3.7 years. The calculations of pellet production show large differences depending on whether it is a steam dryer or conveyor dryer that is integrated. Steam dryers provide a high pellet production and two of them provide a pellet production which would be the highest in Sweden. For electricity generation, the results are the opposite where steam dryers provide a reduction in electricity and for conveyor dryer it increased. The steam dryer with steam at 6 bars and the combined steam- and conveyor dryer shows the greatest reduction in electricity production because electricity generation from the low pressure turbine ceases. Calculations on the dryer's heat exchanging surface provided a basis for further calculations and discussion about the economy but more importantly it gave a deeper understanding of the design and technology behind the dryers. The financial calculations do not take into account certain factors such as the rebuilding of the existing thermal power plant and the cost of storage warehouse and heat exchangers. These factors, as well as the equations of steam dryers investment cost are not perfectly suited to this report makes the financial result more of an indicator of the cost differences between the dryers. Depending on which of the factors is considering to be most important, pellets production, power generation, integration or economic, the choice of which integration will be most preferable differs. If a high pellet production is considered to be of greatest value, the steam dryer with steam at 24 bars or the combined conveyor and the steam dryer should be selected. However, if the electricity is valued to be more important the conveyor dryer should be selected, it is also the case that requires a minimum of rebuilding of the existing thermal power plant. Economically the conveyor dryer has the lowest investment cost while the two cases with a maximum pellet production provides the shortest payback time