Sulfatmassafabrikens kemikalieåtervinning

Under kokningen har kokkemikalierna omvandlats. Att återvinna dessa kemikalier är helt nödvändigt för såväl miljön som ekonomin. Det sker i fabrikens kemikalieåtervinning. I den svartlut som kommer från massatvätten finns också lignin från ved och annan utlöst organisk substans. Även denna tas om hand i fabrikens återvinningssystem och utgör bränsle i fabrikernas återvinningspannor.

Sulfatprocessen bygger alltså på en kretsloppsprincip som gör att råvarorna används effektivt och utsläppen och energiförlusterna minimeras.

Sulfatprocessens återvinningssystem

Sulfatprocessens återvinningssystem, figur 8
Genom återvinningssystemet tas de använda kemikalierna i koken och syrgasdelignifiering till vara. De återförs till kokeriet i form av vitlut från vitlutberedningen.

Sulfatprocessens återvinningssystem består av:

  • Indunstningen, där svartluten förtjockas till så kallad tjocklut.
  • Sodapannan, där tjocklutens organiska substans omvandlas till ånga och kemikalierna samtidigt återvinns.
  • Vitlutberedningen (med kausticering och mesaugn), där kemikalierna omvandlas så att de åter blir aktiva kokkemikalier.

Indunstning. Svartluten från tvätteriet har en torrhalt på cirka 15 procent. För att luten skall bli brännbar indunstas den. Det är viktigt vid förbränningen att torrhalten är så hög som möjligt. Det ger nämligen bättre värmeekonomi, mindre utsläpp av svavelhaltiga gaser samt effektivare omvandling av kemikalierna till aktiva kokkemikalier.

Vid indunstning kokas vatten i luten bort med ånga som värmemedium. Om indunstningen sker i ett steg går det åt lika mycket ånga som mängden vatten som avdunstas. Man delar därför upp indunstningen i fem eller sex steg. Därigenom minskar ångbehovet till ungefär en femtedel.

Indunstningen sker i indunstningsapparater som är en typ av värmeväxlare. Figur 9 visar en indunstningsanläggning med fem steg eller effekter. Man värmer med färskånga (ånga som tillverkats i en ångpanna) i den första effekten. Luten kokar och driver av lutånga, som går som uppvärmningsånga till den andra effekten. Lutångan från den värmer den tredje effekten osv. Färskånga behövs alltså bara i första effekten.

Lutens och ångans väg
Figur 9. Principskiss över lutens och ångans väg i en femeffekts industrianläggning.

För att det skall fungera måste värmningsångan i varje effekt ha högre temperatur än luten i samma effekt. Det innebär att man får successivt sjunkande temperatur och tryck i effekterna räknat från den första. Färskångans temperatur och tryck i första effekten kan vara cirka 135°C och 315 kPa. Temperatur- och trycksänkningen fortsätter sedan ned till cirka 65°C och 25 kPa (75 kPa undertryck) i lutångan från sista effekten.

Trycksänkningen sker med hjälp av en kondensor som kyls med kallvatten och levererar varmvatten. En vakuumpump efter kondensorn suger ut okondenserbara gaser. Dessa är dels luft, dels illaluktande svavelhaltiga gaser som går till förbränning.

Ångorna kondenseras mot effekternas och kondensorns värmeytor och kondenssten leds ut (visas inte i schemat). Kondensaret från den första effekten är rent och går via matarvattenreningen till ångpannorna. De andra kondenssten, lutångkondensaten, är förorenade av bland annat metanol. Kondenssten från effekterna två och tre är tillräckligt rena för att kunna användas i vitlutberedningen och massatvätten, men kondenssten från de sista effekterna och kondensoro måste renas. Den avskilda metanolen kan användas som bränsle i mesaugnen.

Den ingående luten, tunnluten/svartluten, pumpas till effekt tre och går därifrån till effekterna fyra och fem. Luten från effekt fem är delvis förtjockad och kallas för mellanlut. Denna lagras i en cistern (visas inte i figuren) och pumpas till effekt ett. Från den går luten till effekt två och slutligen ut som färdigindunstad tjocklut.

De indunstningseffekter som antyds i figur 9 är stigfilmindunstare. Värmeytan består av ett stort antal vertikala tuber, allt inneslutet i en cylindrisk plåtmantel. Luten kommer in nedtill och strömmar in i tuberna. Ångan som bildas då luten kokar stiger uppåt och drar med sig ett skikt (film) av lut utefter tubernas innervägg, därav namnet stigfilm.

Stigfilmindunstaren har den begränsningen att man inte kan indunsta till mer än 60-62 procents torrhalt. Vid högre torrhalter blir det beläggningar och igensättningar i tuberna. För att öka torrhalten till 70 procent kan man koppla in ett par slutförtjockare.

Under senare år har man börjat använda fallfilmindunstare. Som namnet antyder är arbetssättet motsatsen till stigfilm - luten strömmar som en film nedåt utefter värmeytans väggar. För att värmeytan inte skall "gå torr" cirkuleras lut från botten till toppen av apparaten.

Med speciella fallfilmindunstare som slutindunstare kan luten indunstas till 75-80 procents torrhalt.

Barrvedens extraktivämnen löses ut vid kokningen och finns kvar i svartluten som svartsåpa (sulfatsåpa) . Denna flyter upp till ytan i lutcisternerna och bildar en kletig och illaluktande substans. Den skummas av och används till produktion av tallolja. Det sker i hartskokeriet där såpan kokas med svavelsyra eller restlösning från klordioxidtillverkningen. Tallolja är råvara för tillverkning av tvättmedel, färger och fernissor. Ibland används den också som bränsle i mesaugnen i stället för olja.

Sodapanna

Sodapannan är en ångpanna som är anpassad för att bränna svartlut, figur 10. Den är också en kemisk reaktor - det första steget i omvandlingen av de i massatvätten återvunna kemikalierna till nya kokkemikalier.

Den indunstade luten (tjockluten) sprutas in i sodapannans ugn genom speciella munstycken.

Förbränningsluft blåses in på flera nivåer i ugnen och luten torkas av de heta rökgaserna och bildar en bädd på ugnens botten. I denna förgasas den organiska substansen och slutförbränns högre upp i ugnen.

Avgiven koldioxid bildar med en del av natriumet i torrsubstansen natriumkarbonat (Na2CO3) - soda - vilket gett sodapannan dess namn.

Bildat natriumsulfat (Na2SO4) - och natriumsulfat som eventuellt tillsatts som make up-kemikalie - ombildas genom reduktion med hjälp av kol i den förkolade torrsubstansen till natriumsulfid (Na2S). Natriumsulfid är en verksam kokkemikalie.

Reduktionsgraden är ett mått på hur stor del av natriumsulfatet som omvandlats till sulfid. Den brukar ligga mellan 90 och 92 procent och är ett mått på sodapannans effektivitet som reaktor.

Natriumkarbonat, natriumsulfid och en del ballastkemikalier rinner ut ur ugnens botten i form av smälta via sodapannornas löprännor ned i smältalösaren. Där upplöses smältan i så kallad svaglut från vitlutsberedningen och kallas då grönlut.

Tjocklutens torrhalt är viktig för sodapannans drift. Ju högre torrhalten är ju högre blir temperaturen i ugnen. Det ökar reduktionsgraden och sänker halterna av miljöskadlig svaveldioxid (SO2) och svavelväte (H2S) i den utgående rökgasen. Hög torrhalt ökar också ångproduktionen. De senare årens utveckling inom indunstningstekniken mot höga torrhalter kommer därför att ge många fördelar.

Sodapannan är i princip en traditionell ångpanna med tuber i ugnens väggar, botten och tak och med överhettare och konvektionstubsatser efter ugnen. Man tillför matarvatten som kokar av värmen från förbränningen. Ångan överhettas till cirka 450°G. Ångtrycket är vanligen cirka 6 MPa.

Smältan och rökgaserna är korrosiva. En vattenläcka kan orsaka en explosion om vattnet kommer i kontakt med smälta. Därför brukar tuberna i den nedre delen av ugnen ha ett skyddande skikt av rostfritt stål (compoundtuber).

För att inte stoft som följer med i rökgasen skall gå ut genom skorstenen och damma ned omgivningen, fångas det upp i elektrofilter. Stoftet återförs till sodapannan via blandningstanken. Ibland finns dessutom en rökgasskrubber efter filtren. Där tvättas kvarvarande stoft och även svaveldioxid och illaluktande svavelväte bort med vatten. Samtidigt får man varmvatten från skrubbern.

Vitlutberedning. Grönluten från sodapannan går vidare till vitlutberedningen som är det sista processteget i återvinningssystemet.

Natriumsulfiden i grönluten är den ena av de verksamma kokkemikalierna, och kan användas som den är, medan natriumkarbonatet måste omvandlas till natriumhydroxid.

Vitlutberedningen

Vitlutberedningen, figur 11, fungerar på följande sätt:
Grönluten från smältlösaren renas först från uppslammade föroreningar. I schemat sker det i en grönlutklarnare som avskiljer slammet genom sedimentering. Under senare år har man också börjat använda tryckfilter (se nedan). En nyligen utvecklad apparat är ett skivfilter med roterande dukklädda filterskivor. Grönlut som finns kvar i det avskilda slammet tvättas ut på ett slamfilter. Filtratet (svaglut) pumpas till sodapannans smältlösare.

Den renade luten går till kalksläckaren där den blandas med bränd kalk. Vattnet i luten reagerar med (släcker) kalken som blir kalciumhydroxid. Sand och oreagerade kalkbitar skrapas ut och körs till tipp.

Från kalksläckaren går blandningen av lut och kalk till flera seriekopplade kausticeringskärl. Där reagerar natriumkarbonat med kalciumhydroxid och omvandlas till natriumhydroxid och kalciumkarbonat (CaCO3). Natriumhydroxid kallas också för kaustiksoda. Därav kausticering, som reaktionen kallas.

Efter kausticeringen har man fått tillbaka natriumhydroxiden och luten är åter vitlut. Innan den kan användas måste man avskilja den andra reaktionsprodukten, kalciumkarbonat, som kallas mesa. Mesan är en grå substans som ser ut som gyttja eller lera. När den avskilts är vitluten färdig att åter användas i kokeriet.

Avskiljningen av mesan, vitlutklarningen, sker numera vanligen genom tryckfiltrering i tubfilter. Mesan späds med återfört filtrat (varmvatten) och tvättas i tryckfilter. Därefter sluttvättas och förtjockas den på ett mesafilter av trumtyp.

Mesan bränns om till kalk i en mesaugn. Det är en roterugn som består av ett långt (världens längsta är 135 m) svagt lutande rör. Mesan matas in i ugnens övre ända. I nedre ändan tillförs bränsle som kan vara olja, gas, tallolja, metanol från kondensatrening eller biobränsle. Av rotationen matas mesan ned mot brännzonen där temperaturen är cirka 1 200°C. Där sker kalcineringen, som omvandlar kalciumkarbonatet till kalciumoxid (bränd kalk, Sulfitmassaprocessen CaO) . Därmed är kretsloppet för kalkåtervinningen fullbordat.

Mesaugnen är en av sulfatfabrikens stora oljeförbrukare. Under senare år har emellertid oljan i flera fall ersatts med bark och skogsavfall som torkas och mals till pulver och bränns. Pulvret kan även förgasas till gengas och sedan brännas.

Mesaugnen har också en uppgift i miljövårdens tjänst genom att den ofta är destruktionsugn för illaluktande gaser från kokeriet och indunstningen. Dessa gaser har ett visst bränslevärde och minskar behovet av andra bränslen i ugnen.

Kalk- och mesadamm som följer med i rökgasen avskiljs i elektrofilter eller skrubbar innan gasen går ut genom skorstenen.

Sulfatmassafabriken - självförsörjande på energi
En modern sulfatmassafabrik är i stort sett självförsörjande på energi. Normalt använd ingen olja för ångproduktion. Den enda oljeförbrukaren är mesaugnen, men där kan man ersätta det mesta av oljan med biobränsle. Olja behöver i stort sett bara användas vid starter efter driftsstopp

Värmeöverskottet från en sulfatmassafabrik kan användas i ett integrerat pappersbruk. Därigenom ökas möjligheterna att generera mottryckskraft och den totala energieffektiviteten förbättras. Värmeöverskottet kan också användas som fjärrvärme.

Källa: Jirvall, Nils (red.) (1995). Miljöinfo från Skogsindustrierna. Stockholm, Media express.