Avfallsförbränning har länge varit en av de viktigaste processerna i ett fungerande samhälle. Utöver en volymminskning, erhålls värmeenergi, bottenaska, flygaska och rökgaser vid förbränningsprocessen. I och med att utsläppskraven kontinuerligt skärps, ställs höga krav på de involverade aktörerna när det kommer till hanteringen av restprodukter från förbränningsprocessen. Vanliga hanteringsmetoder för askfraktionerna har länge varit deponering eller att använda askorna som utgångsmaterial för framställningen av byggmaterial som cement. Flygaskorna från förbränningsprocessen innehåller en rad olika grundämnen som har visat sig vara av kommersiellt intresse. Bland annat tenderar flygaskor att innehålla höga halter av lättlösliga kloridsalter, vilket leder till en ökad lakbarhet vid både deponering och användningen som byggmaterial. Fortum Waste Solutions som är ett ledande företag inom hanteringen av farligt avfall, deponerar i dagsläget sina flygaskor efter stabilisering. Då lösningen inte anses hållbar i ett längre perspektiv, är Fortum WS angelägna om att ta fram nya lösningar i syftet att skapa en mer kemiskt stabil askrest för deponeringen. I Finland bedriver Fortum i dagsläget en asktvätt där askorna initialt stabiliseras genom lakning med vatten. Lakningen leder till att lättlösliga kloridsalter ackumuleras i vätskefasen och sedan leds ut i Östersjön. För att processen ska vara tillämpbar på Fortums askor i Kumla, där närliggande saltvattenrecipient saknas, krävs det en avskiljning av salterna innan vätskeströmmen kan ledas ut i närliggande recipient. I samband med detta planerar Fortum WS att kloridsalterna som främst består av kalcium-, kalium- och natriumklorid ska separeras och återvinnas. Syftet är att göra processen mer ekonomiskt gynnsam, samtidigt som den cirkulära ekonomin främjas. Projektets mål har således varit att identifiera och studera två metoder för att separera kloridsalterna. Det främsta fokuset har varit på separationen av kalium- och natriumklorid, då kaliumklorid är det salt som är av störst kommersiellt intresse. Kaliumklorid används som en insatsprodukt vid produktion av gödningsmedel, men även att Ryssland och Vitryssland står för cirka en tredjedel av världens export av kaliummineraler. Rysslands invasion av Ukraina har direkt bidragit till att priset på kaliumklorid ökat kraftigt de senaste åren. Då Sverige enbart förlitar sig på import av kaliummineraler är det av stor betydelse att ett kaliumkretsloppet sluts på Sveriges avfallsförbränningsanläggningar. I litteraturen gick det att identifiera tre metoder för en separation av kalium- och natriumklorid: flotation, kylkristallisation och extraktionskristallisation med etanol. Metoderna som valdes ut för laborativa försök var kyl- och extraktionskristallisation med etanol. Metoderna studerades initialt genom att utföra försök på tre stycken syntetiska stamlösningar med tre olika sammansättningar. Den mest effektiva separationen kunde erhållas när en kombination av kyl- och extraktionskristallisation med etanol, tillämpades på stamlösning 1 då saltfällningar beståendes av cirka 98% kaliumklorid kunde erhållas. Stamlösning 1 hade initialt en kalium- respektive natriumhalt på 85 g/l respektive 68 g/l. Det mest optimala volymförhållandet mellan tillsatt etanol och saltlösning visade sig vara 40%. Slutsatsen från försöken på de syntetiska lösningarna var att koncentrationsförhållandet mellan kalium- och natriumklorid i lösningen behövde vara minst 1:1, alternativt en högre koncentration av kalium. Genom indunstning till både 80% och 60% av originalvolymen gick det att fälla ut natriumklorid med > 90% renhetsgrad. Därmed var det möjligt att konstatera att indunstning var en möjlig metod för att erhålla ett 1:1-förhållande mellan kalium- och natriumklorid, samtidigt som natriumklorid kunde återvinnas. Den viktigaste parametern under samtliga försök var att saltlösningen var mättad. Försök utfördes därefter på en laklösning som bereddes genom lakning av flygaskor från Fortum WS. Utöver kalcium, kalium och natrium hade laklösningen höga halter av koppar och zink. Med syftet att minska halterna av koppar och zink utfördes försök med kemisk fällning, där en pH-höjning visade sig vara den mest effektiva metoden. Två olika processer innefattandes extraktionskristallisation studerades sedan för att erhålla en kaliumkloridprodukt. Med den första processvägen var det möjligt att konstatera att en högre kaliumhalt var möjlig att erhålla i slutprodukten vid etanoltillsats (79%) än vid metanoltillsats (76%). I den andra processvägen kunde en god separation mellan kalium- och natriumklorid påvisas då etanol tillsattes. Massan på slutprodukten (processteg 6) som erhölls (0,1 g) uppskattades dock att vara låg, men bestod av cirka 89% kalium. Vätskefasen efter den andra etanoltillsatsen (processteg 5) visade sig innehålla cirka 73% kalium vilket indikerade på att en god separation hade åstadkommits vid den initiala etanoltillsatsen vid processteg 3. Slutligen framfördes ett förslag på en storskalig process enligt följande ordning: avskiljning av andra metaller, indunstning, etanoltillsats, etanolåtervinning genom destillation och slutligen recirkulation av vätskeströmmen. Det rekommenderas även att framtida forskning bör fokusera på att säkerställa slutprodukternas renhetsgrader, samt att studera flotationsprocessen i laborativ skala. / Waste incineration has long been one of the most important processes in the modern society. In addition to a reduction in volume, heat energy, bottom ash, fly ash and flue gases are obtained during the combustion process. As the emission requirements are continuously tightened, a lot of pressure is put on the involved actors when it comes to handling the residual products from the combustion process. Common handling methods for the ash fractions have long been landfilling or using the ashes as a starting material for the production of building materials as cement. The fly ash from the incineration process contains a number of different elements, which have been shown to be of commercial interest. Among other things, fly ash tends to contain high levels of soluble chloride salts, which leads to increased leachability during both disposal and in the use as a building material. Fortum Waste Solutions, a leading company in the management of hazardous waste, is currently depositing its fly ash after stabilization. As the solution is not considered to be sustainable in the long term, Fortum WS is keen to find new solutions with the aim of creating a more chemically stable ash residue for disposal. In Finland, Fortum currently operates an ash washing plant where the ashes are initially stabilized by water leaching. During the leaching process soluble chloride salts are accumulated in the liquid phase which then is discharged into the Baltic Sea. In order for the process to be applicable to Fortum’s ashes in Kumla, where there is no nearby salt-water recipient, a separation of the chloride salts is necessary before the liquid stream can be discharged. In regard to this, Fortum WS plans to separate and recycle the chloride salts, which mainly consists of calcium, potassium and sodium chloride. The aim is to make the process applicable and more economically beneficial, while the promoting circular economy. The aim of the project has thus been to identify and study two methods for a separation of the chloride salts. The main focus has been on the separation of potassium and sodium chloride, as potassium chloride is considered to be of commercial interest. Potassium chloride is not only used as a starting product in the production of fertilizers, Russia and Belarus account for about a third of the world’s export of potash. Russia’s invasion of Ukraine has directly contributed to the price of potash rising sharply in recent years. Since Sweden relies solely on imports of potash, it is of great importance that a potassium cycle can be acquired at the incineration plants of Sweden. In the literature, it was possible to identify three methods for the separation of potassium and sodium chloride: flotation, cooling crystallization and extraction crystallization with ethanol. The methods selected for the laboratory trials were cooling and extraction crystallization with ethanol. The methods were initially studied by performing tests on three synthetic stock solutions. The most efficient separation was observed when a combination of cooling and extraction crystallization with ethanol was applied to one of the stock solutions, since salt precipitates consisting of approximately 98% potassium chloride could be obtained. The stock solution had a potassium and sodium content of 85 g/l and 68 g/l, respectively. The most optimal ration between added ethanol and saline solution was found to be 40%. The conclusion from the tests performed on the synthetic solutions was that the concentration ratio between potassium and sodium chloride needed to be at least 1:1, or a higher concentration of potassium. By evaporation to both 80% and 60% of the original volume, it was possible to precipitate sodium chloride with > 90% purity. Thus, it was possible to state that evaporation was applicable in order to obtain the necessary 1:1 ratio between potassium and sodium chloride, while sodium chloride with a high degree of purity could be recovered. The most important parameter during all tests was that the salt solutions was saturated. Tests were then carried out on a leach solution, which was prepared by washing fly ash from Fortum WS with water. In addition to calcium, potassium and sodium, the leach solution contained high levels of copper and zinc. With the aim of reducing the levels of copper and zinc, experiments were carried out with chemical precipitation, where an increase in pH proved to be the most effective method. Two different processes were then studied in order to obtain a potassium chloride product from the leach solution. With the first process path, it was possible to conclude that a higher potassium content, relative to sodium content could be acquired with ethanol addition (79%) rather than methanol addition (76%). In the second process path, an effective separation of potassium and sodium chloride could be demonstrated when ethanol was added. However, the mass of the final product obtained (0.1 g) was estimated to be low but consisted of approximately 89% potassium. The liquid phase after the second ethanol addition was found to have a potassium salt concentration of approximately 73%, which indicated that an effective separation had been achieved with the initial ethanol addition. Finally, a proposal was made for a large-scale process consisting of the following steps: separation of other metals, evaporation, ethanol addition, ethanol recovery by distillation and finally the recirculation of the liquid stream. It is also recommended that future research should focus on ensuring the purity levels of the final products, as well as studying the flotation process in a laboratory setting.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-333715 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Välimäki, Marcus |
| Publisher | KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0023 seconds