Rheological properties of hot lime mud

Abstract

In this thesis, the rheological properties of lime mud at high temperatures were studied. Lime mud, which is generated in the pulp mill chemical cycle, is preheated before entering the lime kiln. The rheological properties of lime mud at high temperatures are crucial for enhancing the efficiency of preheating. The higher the temperature to which lime mud can be preheated, the more energy-efficient the lime kiln becomes.

The literature part discusses the operating principles of the chemical cycle in a pulp mill, with a detailed focus on the lime kiln and the calcination reaction. Various alternatives for electrifying the lime kiln are also addressed. The properties of lime mud are examined in detail, including particle size and impurities such as alkali content. Additionally, the temperature profile of lime mud and the adhesiveness of calcium carbonate are reviewed. The final part of the literature section covers the basic theory of rheology, the rheology of powders, high-temperature rheology, and the rheological properties of calcium carbonate.

In the experimental part, high-temperature rheological measurements were done on various different lime mud samples. The pretreatment of lime mud samples involved modifying particle size and alkali content. The aim of the rheological measurements was to determine the contribution of alkali content and particle size on the magnitude of shear stress variation as the temperature increases. The measurement results indicate that with lower alkali content, the variation in shear stress values begins at higher temperatures. Additionally, larger particle size has the same effect on the temperature corresponding to the variation in shear stress values.

Tässä diplomityössä tutkittiin meesan reologisia ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa. Sellutehtaan kemikaalikierrossa syntyvä meesa esilämmitetään ennen meesauunia. Meesan reologiset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa ovat ratkaisevassa asemassa esilämmityksen tehostamisessa. Mitä korkeampaan lämpötilaan meesa voidaan esilämmittää, sen energiatehokkaampi meesauuni on.

Kirjallisuusosassa käsitellään sellutehtaan kemikaalikierron toimintaperiaatteet ja tarkemmin meesauunin toimintaa ja kalsinointiprosessia. Meesauunin osalta käsitellään myös erilaisia vaihtoehtoja sen lämmityksen sähköistämiselle. Meesan ominaisuuksista käsitellään tarkemmin partikkelikokoa ja meesan sisältämiä epäpuhtauksia, kuten alkalipitoisuutta. Lisäksi tarkastellaan meesan lämpötilaprofiilia ja kalsiumkarbonaatin tarttuvuutta. Kirjallisuusosan viimeisenä asiana käsitellään reologian perusteoriaa, jauheiden reologiaa, korkean lämpötilan reologiaa ja kalsiumkarbonaatin reologisia ominaisuuksia.

Kokeellisessa osassa suoritettiin korkean lämpötilan reologiamittauksia erilaisille meesanäytteille. Meesanäytteiden esikäsittelyssä muokattiin partikkelikokoa ja meesan alkalipitoisuutta. Reologiamittausten tavoitteena oli selvittää meesan partikkelikoon ja alkalipitoisuuden vaikutusta leikkausjännityksen vaihtelun suuruuteen lämpötilan kasvaessa. Mittaustuloksista voidaan todeta, että pienemmällä alkalipitoisuudella leikkausjännityksen arvojen vaihtelu alkaa korkeammissa lämpötiloissa. Lisäksi suuremmalla partikkelikoolla on sama vaikutus leikkausjännityksen arvojen vaihtelua vastaavaan lämpötilaan.