Energieffektiv och tillgänglighetsoptimerad styrning av mesaugnar genom barlaststyrning

Rapport, 2025

Via vedråvaran tillförs sulfatprocessens återvinningscykel fosfor i form av fosfatjoner. I det sista steget av återvinningscykeln för kokvätskan används bränd kalk (CaO) för att konvertera karbonatjoner till hydroxidjoner via reaktionen CaO(s) + H2O + CO32- → CaCO3(s) + 2OH-(s). Bildad CaCO3(s) (mesa) bränns om till CaO i en roterugn (mesaugn) där fosfor långsamt ackumuleras. Teknikens ståndpunkt är att fosfor i den brända kalken föreligger som hydroxoapatit (HAP) och enbart verkar som en inert barlast. Det är känt att fosforformen i mesan som förs in till ugnen inte är HAP utan en natrium- och karbonatsubstituerad form av apatit benämnd CAP med molkvoten Na/P≈ 0,5. Det är även känt att natrium i mesan gynnar sintringen av mesa och kalk i ugnen, vilket i sin tur minskar dammbildningen. Dammet skärmar överföringen av strålningsvärme från ugnens brännare och ökar energibehovet. Från en flerårig inline-mätning noterades att damningen minskade med ökande fosforhalt i kalken. Samtidigt ökade natriumhalten i mesan rätlinjigt med fosforhalten på ett sätt som stämde med närvaron av CAP i mesa. Hypotesen blev att fosfor och natrium i mesan tillsammans bildar CAP och att damningen minskar med ökande fosforhalt i mesa och kalk. 
Vi följde ackumulationen av fosfor i mesa, kalk och elfilterstoft i två mesaugnar, den ena med inline-mätning av dammindex, den andra med inline-mätning av både dammindex och volymsandel finmaterial i produktkalken. Inline-mätningarna visade att dammindex, volymsandel finmaterial och specifika energibehovet samtliga minskade med fosforhalten i kalken. Kemisk analys av de tre provslagen bekräftade att natriumhalten ökade linjärt med fosforhalten och att linjens lutning motsvarade bildning av CAP i mesan. Pulverröntgen (XRD) stödde bildningen av CAP i både mesa och elfilterstoft. I kalken identifierades två fosforformer; hydroxoapatit (HAP) och trinatriumfosfat (TSP). Med mätning av relativ och specifik yta kombinerat med termogravimetri fann vi att graden av sintring ökade linjärt med natriumhalten. Sintringen inleddes under 700°C och nådde slutvärdet vid ca 900°C. Då proven kalcinerats fanns inga tydliga belägg för ytterligare sintring upp till 1200°C. Slutsatsen blev att fosfor i mesan enbart fungerade som en bärare av natrium.  
Energibehovet sjönk tydligt då fosforhalten översteg 8 - 11g P/kg CaO och minskningen uppgick då till omkring 10% eller 0,6 MJ/kg CaO. Efter ugnsstopp med intag av stora mängder fosforfattig köpkalk är rekommendationen att inte blöda ut fosfor med mesa eller elfilterstoft innan inline-partikelstorleksmätning visar att damningen i ugnen upphört.