Ammoniakin talteenottoprosessin kehitys

Abstract

Diplomityössä kehitettiin ioninvaihtoon perustuva ammoniakin talteenottoprosessi NSSC (Neutral Sulphite Semi Chemical) -prosessin haihduttamon lauhteille. Tarkoituksena oli saada aallotuskartonkitehtaan kemi-kaalikiertoa suljettua ja sitä kautta ammoniakkipäästöjä vähennettyä. Ammoniakki tuli ottaa hyötymuodossa (ammoniakkihöyry tai ammoniumsulfiitti) talteen. Ammoniumsulfiittiliuosta käytetään NSSC-prosessissa keittonesteenä. Kirjallisuusosassa selvitetään strippaukseen perustuvia ammoniakin talteenottomahdollisuuksia. Tutkitaan ioninvaihdon teoriaa ja ammoniumin talteenottoon sopivien ioninvaihtomateriaalien ominaisuuksia ioninvaihtajina. Lisäksi esitetään ioninvaihtoprosesseihin liittyviä laitteistoratkaisuja ja prosessiolosuhteita. Työn kokeellisessa osassa on yleiskuvaus Powerflute Oy Savon Sellun prosesseista ja selvitetään ammoniakin merkitystä tehtaalle. Laboratoriokokein tutkittiin orgaanisten kationihartsien sekä epäorgaanisen luonnon zeoliitin soveltuvuutta ammoniumionien vaihtoon esihaihduttamon lauhteesta. Ammoniakin talteenottoprosessin toimivuutta teollisessa mittakaavassa selvitettiin rakennetulla pilotlaitteistolla suoritettujen kokeiden avulla. Lopuksi tehtiin ammoniakin talteenottoprosessin scale-up: laskettiin prosessin talteenottokapasiteetti, arvioitiin kustannuksia sekä annettiin lausunto prosessin toteutettavuudesta. Laboratoriokokeiden perusteella luonnon zeoliitti ja heikosti hapan ioninvaihtohartsi eivät sovellu ammoniumionien vaihtoon NSSC haihduttamon lauhteista. Vahvasti hapan kationihartsi toimi ammoniumin talteenotossa parhaiten, joten se valittiin pilotkokeiden ioninvaihtomateriaaliksi. Pilotkokeissa ioninvaihtomateriaaliin saatiin sidottua ammoniumia noin 30 g NH4+ / dm3 hartsia, kun materiaalin teoreettinen ioninvaihtokapasiteetti oli 32 g NH4+ / dm3 hartsia. Ammoniumin läpäisykäyrien muotoon vaikutti suuresti syöttölauhteen virtausnopeus ja ammoniumpitoisuus. Ioninvaihtomateriaalipedin syvyydellä ei ollut niinkään merkitystä. Pilotkokeiden regenerointitavoista tehokkaimmaksi osoittautui höyrystrippaus, jossa saavutettiin noin 90 %:n talteenottotehokkuus. Rikkihapokekäsittelyllä talteenottotehokkuus jäi 50 %:iin. Teollisen mittakaavan laitoksella voidaan vuosittain regenerointitavasta riippuen ottaa talteen esihaihdut-tamon lauhteesta noin 100-150 tonnia ammoniakkia. Prosessin käyttökustannukset ovat talteenotetusta ammoniakista saataviin säästöihin verrattuna suuret ja niihin vaikuttaa merkittävästi ioninvaihtohartsin käyttöikä sekä regenerointikemikaalien kulutus. Osittaisella kemikaalikierron sulkemisella saavutetaan NSSC-prosessissa sekundäärietuja, joiden vaikutuksen merkittävyys pitäisi tarkentaa lisätutkimuksilla.

In this thesis, the ammonia recovery process for the evaporation plant condensates of the NSSC process was developed. The aim was to get fluting mill’s chemical circulation more closed in order to decrease am-monia discharges. Ammonia was meant to recover in the useful form (ammonia vapour or ammonium sul-phite). Ammonium sulphite solution is used as cooking liquor in the NSSC process. In the literature survey, a few possible stripping processes are described for ammonia recovery. Theory of ion exchange and the properties of suitable exchangers for ammonium ion are studied. In addition some process equipments and process conditions linked to ion exchange are given. In the experimental part general view on the processes of Powerflute Oy Savon Sellu is given and the meaning of ammonia for the mill is described. With laboratory scale experiments the suitability of organic cation exchangers and inorganic natural zeolite for ammonium ion exchange from the pre-evaporator’s con-densate were studied. Operations of the production scale ammonia recovery process were modelled based on experiments with planned pilot scale equipment. At the end, scale-up for the ammonia recovery process was accomplished: ammonia recovery capacity was calculated, operating costs were approximated and feasibility of the production scale process was evaluated. According to the results of the lab scale experiments natural zeolite and weak acid cation exchanger are not suitable materials for ammonium exchange from the condensates of the NSSC evaporation plant. The func-tions of strong acid cation exchanger in the recovery of ammonium were best. Thus that exchanger was chosen as a ion exchanger of the pilot scale experiments. In pilot scale experiments ion exchange material could hold about 30 g NH4+ / dm3 resin when it’s theoretical capacity was 32 g NH4+ / dm3 resin. To the shape of the ammonium breakthrough curves, flow rate and initial ammonium concentration influenced a lot. The depth of the ion exchange material bed had no significant effect. From the regeneration methods tested in the pilot scale experiments the highest recovery efficiency was achieved with steam stripping (about 90 %). With sulphurous acid treatment the recovery efficiency was left to 50 %. With a production scale establishment there is a chance for 100-150 ton of ammonia from the pre-evaporator’s condensate to be recovered. Operating costs of ammonia recovery process are high if compared to the income from the recovered ammonia. Needed chemicals in the regeneration and age of the ion ex-change material are significantly involved with those costs. Due to partial closing of the chemical circulation in the NSSC process there will be secondary benefits which require further research.