The Formation and Dissolution of Sodium Salt Scales in Black Liquor Evaporators

Doktorsavhandling, 2017

Indunstning av svartlut är en viktig och energiintensiv del i den kemiska återvinningscykeln på ett sulfatmassabruk. Svartlut är den kokvätska som återstår efter att veden kokats sönder och fibrerna separerats. Svartluten innehåller huvudsakligen vatten, lösta organiska komponenter från veden och oorganiska kokkemikalier. För att kunna tillvarata energi och kemikalier i svartluten behöver den först indunstas, d.v.s. koncentreras upp genom att koka bort vattnet, och sedan förbrännas i sodapannan. När andelen vatten genom indunstningen kommit ner till under ca 50 % överstigs lösligheten för en stor del av de oorganiska kokkemikalierna, framför allt natriumkarbonat och natriumsulfat, vilket gör att stora mängder kristaller bildas. Kristallisationen kan ske på två sätt: (1) fria bulkkristaller i svartlutsflödet bildas och (2) så kallade inkruster (beläggningar) bildas på indunstarnas värmeytor. Det senare minskar indunstarens kapacitet, kan ge stora processtörningar och regelbunden tvättning behövs normalt för att upprätthålla driften.

I denna avhandling har bildningen av natriuminkruster studerats experimentellt i pilotskala, med fokus på kopplingen till de fria bulkkristallerna. En metod för kristallseparation (med hjälp av en hydrocyklon) utvecklades för att tillåta ändringar av bulkkristallernas mängd och sammansättning i pilotindunstaren. Då en vanlig hypotes är att mer bulkkristaller ger mindre inkruster har detta undersökts och ett förslag på hur bulkkristaller kan recirkuleras i industriell skala har tagits fram. Dessutom har upplösningen av inkruster studerats experimentellt och en modell har utvecklats för att kunna simulera och utvärdera hur tvättning av industriella indunstare ska genomföras för att kunna avlägsna inkruster så effektivt som möjligt.

Mätresultaten visar att inkrusteringshastigheten är tiofaldigt högre när svartluten koncentreras under total avsaknad av bulkkristaller, för då uppstår en övermättnad vilket orsakar en snabb initiering av inkruster på större delen av den värmeöverförande ytan. Därför är det viktigt att tillföra kristaller till indunstaren under uppstart eller efter rengöring annars finns en stor risk för betydande problem. Under förutsättning att ett minimum av bulkkristaller finns tillgängligt under normal drift, visade det sig att en ytterligare ökning av mängden bulk-kristaller inte minskade inkrusteringen och alltså gick det inte att undvika inkrustering helt med denna metod. Det visade sig också att det i huvudsak är de större kristallerna som håller nere inkrusteringen och de är därför viktigare att behålla i systemet än mindre kristaller.

Kapaciteten hos svartlutsindunstare kan förbättras genom att införa ett systematiskt tillvägagångssätt som undviker onödig och otillräcklig tvättning. Genom att tolka och förstå processdata, exempelvis värmegenomgångstal och kokpunktsförhöjning, kan man avgöra när det är dags för tvätt och hur länge man ska tvätta för att få helt rent.