SE518051C2 - Sätt att återvinna oorganiskt material ur avfärgningsslam - Google Patents

Description

.n 0 " n.. uo-z z _", , . “_ ° '_' . . . . . . - - - 1 : :I - - ~ ~ ~ ... ... ._ _ _ _ _ _ ..._ _._ . . _ - - 51 8 Ü z I . . .l '- vid erhålles sammanföres för bildning av ett avfärgnings- slam med relativt hög vattenhalt. Någon industriellt genomförbar metod för att återvinna värdefullt material ur detta avfärgningsslam har hittills inte kommit till användning eller ens föreslagits, utan avfärgningsslammet representerar en restprodukt, som efter avvattning kan användas i cement- och tegelindustrin eller förbrännas med konventionell teknik. Den aska som erhålles vid för- bränning deponeras på lämpligt ställe eller användes som landfyllning. Det förekommer även i vissa fabriker och länder att oförbränt avfärgningsslam deponeras, vilket utgör en belastning ur miljösynpunkt.

I artikeln "Supercritical water oxidation of pulp mill s1udges“ av M. Modell et al, 1991 Engineering Conference, sid. 393-403, beskrivs en metod för behandling av slam från massafabriker som ett alternativ till konventionell förbränning. Metoden, som allmänt betecknas SCWO-processen (Super-Critical Water Oxidation), grundar sig på förkolningsfri oxidering av slammets organiska del i närvaro av vatten, vilket befinner sig i superkritiskt tillstànd. Detta innebär att oxideringen av organiskt material sker vid en temperatur och vid ett tryck som ligger över vattnets superkritiska punkt i vattnets fasdiagram, dvs. 374°C/22 MPa. Oxidering av organiskt material vid de relativt låga temperaturerna möjliggöres genom det höga trycket och närvaron av vatten som reak- tionsmedium. Vid vattnets superkritiska punkt 374°C/22 MPa och i dess superkritiska område ovanför denna punkt uppträder vattnet som ett superkritiskt fluidum och i detta tillstànd fungerar det superkritiska vattnet som ett effektivt lösningsmedel för organiskt material och gaser. Artikeln berör endast slam som erhål- les i den konventionella massatillverkningen och nämner därför ingenting om det specifika avfärgningsslam, som erhàlles i samband med återvinning av returfiber ur returpapper, än mindre nämner artikeln någonting om meto- , , , . . .- 51 8 0 51 dens användning för återvinning av oorganiskt material ur avfärgningsslam. I artikeln "Nassoxidation von Deinkingschlämmen" av U. Hamm och L. Göttsching, Wochenblatt für Papierfabrikation 1, 1998, sid. 15-23, redovisas resultat från försök med oxidering av avfärg- ningsslam under användning av den ovannämnda SCWO-processen. Av artikeln framgår, att även vid mycket hög oxidation av det organiska materialet i avfärgnings- slammet erhålles ett oorganiskt material med en så låg ljushet, mindre än 60% ISO, att det inte kan användas som fyllmedel. Genom den diskuterade teknikens ståndpunkt är det följaktligen inte känt eller antytt att ur avfärg- ningsslam återvinna fyllmedel för återanvändning i en papperstillverkningsprocess under användning av en oxide- ring enligt nämnda SCWO-process. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett sätt att ur avfärgningsslam återvinna oorganiskt material av sådan kvalitet att det är lämpat för åter- användning i en papperstillverkningsprocess.

Sättet enligt uppfinningen kännetecknas av att det inne- fattar följande steg: (a) organiskt material i form av fibermaterial avlägsnas ur avfärgningsslammet i en förutbestämd mängd så att mängden kvarvarande organiskt material blir mellan och 30%, räknat på torrsubstanshalt, vatten avlägsnas ur avfärgningsslammet så att torr- substanshalten ökar till 15-35%, varvid stegen (a) och (b) anpassas till varandra så att avfärgnings- slammet efter detta steg (b) är pumpbart, (c) trycket hos det pumpbara avfärgningsslammet ökas till minst 22 MPa, (d) temperaturen hos det pumpbara avfärgningsslammet höjs till minst 374°C, (e) avfärgningsslammet införes i en reaktor under samti- dig kontinuerlig tillförsel av ett syrehaltigt nous- l0 medium i en tillräcklig mängd för oxidering av allt organiskt material vid ett tryck av minst 22 MPa och en temperatur av minst 500°C, (f) en materialström, som innefattar nämnda oorganiska material, reaktionsmaterial och vatten förutom det som ingår i reaktionsmaterialet, uttages ur reaktorn och avkyles och tryckavlastas, och (g) materialströmmen underkastas en materialseparering, som innefattar utvinning av det värdefulla oorga- niska materialet.

Uppfinningen beskrives närmare i det följande med hänvis- ning till ritningen.

Figur 1 visar schematiskt en återvinningsanlåggning i ett flödesschema för avfärgningsslam för återvinning av oor- ganiskt material ur detta i enlighet med uppfinningen.

Avfärgningsslam från en reningsprocess för returpapper fylls i en förrådstank 1 och hålls under omrörning för att förhindra sedimentering. Avfärgningsslammet har en torrsubstanshalt av normalt under 8%, vanligtvis omkring % eller lägre, varvid således resten är vatten. Avfärg- ningsslammet har ett innehåll av organiskt material av över 35%, räknat på torrsubstanshalten, vanligtvis inom intervallet 45-50%, varvid innehållet av oorganiskt mate- rial är under 65%, respektive 55-50%.

Det organiska materialet innefattar fibermaterial, tryck- färg, andra färgämnen, olika typer av organiska tillsats- medel och bindemedel, varvid fibermaterialet utgör den största andelen. Fibermaterialet består av fibrer och fiberdelar, s.k. "fines". Det oorganiska materialet inne- fattar i första hand fyllmedel, men även andra inerta material kan ingå, såsom pigment, beroende på typen av pappers- eller papprodukt, från vilken returpapperet härrör. nano. 518 051 Avfärgningsslammet leds kontinuerligt till en förbehand- lingsanläggning 2 för lämplig förbehandling så att andelen fibermaterial av torrsubstanshalten minskas till en förutbestämd nivå. Som lämplig förbehandling för att åstadkomma en sådan minskning av fibermaterialhalten kan man välja bland ett flertal olika sätt, såsom flotation, sedimentering, virvelrening, silning, centrifugering, biologisk nedbrytning (aerob eller anaerob) av en del av fibermaterialet, omvandling av en del av fibermaterialet till etanol genom enzymatisk eller annan typ av hydrolys följd av jäsning eller en kombination av två eller flera av dessa tekniker, vilka kan utföras i ett eller flera steg. Reduceringen av halten fibermaterial är nödvändig för att kunna kontrollera den nedströms utförda exoter- miska reaktionen så att temperaturen inte stiger till en nivå, vid vilken det finns risk, att strukturen hos det oorganiska materialet förstöres och så att inget orga- niskt material blir ooxiderat. Mängden kvarvarande orga- niskt material skall vara mellan 15 och 30%, företrädes- vis mellan 15 och 20%, räknat på torrsubstanshalt. Redu- ceringen av halten fibermaterial är dessutom nödvändig för att uppnå ett pumpbart avfärgningsslam.

Det så behandlade avfärgningsslammet leds sedan till en anläggning 3 för att öka koncentrationen av torrsubstans till ett värde inom området 15-35%. Som lämplig behand- ling för att åstadkomma en sådan ökning av torrhalten kan man välja bland ett flertal olika sätt, såsom sedimente- ring, virvelrening, centrifugering, pressning i en lämp- lig press eller genom en kombination av två eller flera av dessa tekniker. Förtjockningen av avfärgningsslammet är nödvändig för att minska den närvarande mängden vatten under den nedströms utförda oxidationen. I samband med att torrhalten höjs eller direkt därefter kan avfärg- ningsslammet underkastas en tvättning, särskilt om salt- halten i slammet är för hög. Vid denna tvättning avlägs- .

Q . . - . s. 518 051 nas även metalljoner, som i den efterföljande oxideringen kan bilda metalloxider, som kan missfärga det utvunna oorganiska materialet och därigenom sänka dess ljushet. s.k. anläggningen bör salthalten hållas under 1000 ppm. För För att undvika saltavsättningar, inkruster, i den fortsatta hanteringen av avfärgningsslammet är det nödvändigt att detta även efter ökningen av torrhalten är pumpbart. De två nämnda inledande huvudstegen anpassas därför till varandra så att avfärgningsslammet, som läm- nar anläggningen 3, är i pumpbart tillstànd och dessutom har en COD-halt av 40-100 g/1, företrädesvis 60-80 g/1.

En högre halt av fibermaterial minskar pumpbarheten, vil- ket således innebär att torrhalten väljes inom den nedre delen av det nämnda området 15-35%, då halten organiskt material är inom den övre delen av det nämnda omrâdet -30%. För att öka pumpbarheten kan dispergeringsmedel tillsättas till avfärgningsslammet.

Det så pumpbara avfärgningsslammet ledes sedan till en förràdstank 4, som är försedd med en cirkulationsslinga 16, genom vilken avfärgningsslammet bringas att cirkulera medelst en pump 17 så att en jämn koncentration upprätt- hálles i förràdstanken 4 och sà att särskilt fibermate- rialet sönderdelas och/eller förhindras att bilda större partiklar av fibrer genom pumpens inverkan. Från förräds- tanken 4 pumpas avfärgningsslammet medelst en pumpanord- ning, som innefattar en högtryckspump 5, som ger avfärg- ningsslammet ett driftstryck av minst 22 MPa.

Avfärgningsslammet leds därigenom vidare till en värme- anordning, som det lämnar med en förhöjd temperatur av minst 374°C. Företrädesvis är denna temperatur högst 425°C. Värmeanordningen innefattar en värmeväxlare 6, som är i funktion under den kontinuerliga driften, och en därefter följande förvärmare 7, som kan drivas med t.ex. naturgas och inkopplas då värmeväxlaren har en otillräck- lig kapacitet, t.ex. vid uppstarten av återvinnings- Q . , . . . .- 518 051 anläggningen. Vid de nu rådande temperatur- och tryck- betingelserna, minst 374°C och minst 22 MPa, befinner sig vattnet i sitt superkritiska område, som börjar vid punk- ten 374°C/22 MPa i vattnets fasdiagram.

Avfärgningsslammet inklusive vattnet i superkritiskt tillstånd ledes in i toppen av en reaktor 8, som vid den visade utföringsformen utgöres av ett vertikalt reak- tionskärl. Ett syrehaltigt medium, företrädesvis flytande syre, matas samtidigt in i toppen av reaktorn 8 via en ledning 9 för att intimt blanda sig med avfärgnings- slammet. Syret oxiderar det organiska materialet i avfärgningsslammet och den så erhållna exotermiska reak- tionen ger en önskad förhöjd temperatur i reaktorn. Reak- tionen regleras så att temperaturen i reaktorn hålls över 500°C. Företrâdesvis hålls temperaturen inom intervallet 500-650°C, mest föredraget inom intervallet 550-600°C.

Mängden syre som tillföres anpassas till det uppmätta behovet, som ligger inom nämnda COD-halt 40-100 g/l. Ett litet överskott kan således tillåtas. Under dessa tempe- ratur- och tryckbetingelser och anpassning av syretill- förseln sker en fullständig oxidation av allt organiskt material som ingår i avfârgningsslammet. Genom att arbeta vid en reglerad temperatur enligt vad som sagts ovan, företrädesvis lägre än 650°C, säkerstålles, att det oorganiska materialets struktur inte förstöres. Under den kontinuerliga driften uttages ur reaktorn vid dess botten en materialström, som innehåller oorganiskt material, reaktionsmaterial och vatten. Materialströmmen bringas att passera värmeväxlaren 6 för att överföra en del av sitt värmeinnehåll till den ingående strömmen av avfärg- ningsslam. Den utgående materialströmmen passerar där- efter en ånggenerator 10 (eller annan energikoppling), där återstående energi kan återvinnas, och sedan en tryckreduceringsventil 11. 518 051 Den pà detta sätt avkylda och tryckavlastade material- strömmen ledes slutligen till en avskiljningsanläggning, som innefattar en separator 12 för avskiljning av gasen från det vattenhaltiga oorganiska materialet. Gasfasen ledes via en ledning 13 ut i atmosfären eller uppsamlas på lämpligt sätt för nyttiggörande av dess beståndsdelar, t.ex. utvinning av koldioxid, medan det vattenhaltiga oorganiska materialet i form av en suspension uttages via en ledning 14. Suspensionen förtjockas på lämpligt sätt, t.ex. i en sedimenteringstank eller silanordning (ej visade). En tvättning kan utföras före eller efter för- tjockningen för att avlägsna eventuella kvarvarande, lös- liga föroreningar. Det avskilda vattnet ledes till reci- pient eller àterföres till något av fabrikens processteg.

Egenskaperna hos det sä àtervunna oorganiska materialet bestämmes. Om ljusheten visar sig vara omkring 68% ISO och däröver är det möjligt att använda det återvunna oorganiska materialet som fyllmedel direkt i en pappers- tillverkningsprocess under förutsättning att materialet uppfyller de krav som är uppställda för en dylik använd- ning. Sådana krav är att materialet bidrager till de optiska och trycktekniska egenskaper, som eftersträvas för den aktuella pappersproduktionen, att det har sàdana egenskaper att det inte ger negativa effekter jämfört med konventionell handelsvara och att det av resurs-, miljö- och/eller energimâssiga skäl bidrager till en effektivi- .¿. sering av papperstillverkningen.

För att höja kvaliteten, i första hand ljusheten, under- l kastas det återvunna oorganiska materialet en lämplig un' efterbehandling i en efterbehandlingsanläggning 15. Detta _Ä3 kan t.ex. ske genom en rening i en särskild magnetsepara- tor av höggradienttyp, där ljushetssänkande metalloxider, : _: 35 som bildas under oxidationen i reaktorn, avlägsnas. Dis- ; '; pergeringsmedel kan tillsättas före reningen för att J". uppnä bästa resultat. Ljusheten kan även förbättras genom u . . - ~ . .- 518 051 blekning med ett lämpligt blekmedel, t.ex. ditionit. En kombination av dessa reningsmetoder kan också användas för att uppnå en ännu högre ljushet. Genom en sådan efterbehandling kan ljusheten ökas med 2 eller flera % ISO. Det återvunna oorganiska materialet med eller utan nämnda efterbehandling kan användas som fyllmedel vid t.ex. tillverkning av tidningspapper av olika kvaliteter.

Om det är efterbehandlat såsom beskrivits ovan kan det användas som fyllmedel i produkter med högre ljushets- krav, t.ex. journalpapper, LWC och finpapper.

Om så önskas, kan det syrehaltiga mediumet tillföras på två eller flera ställen längs reaktionskärlet. Den förut- bestämda totala mängden av syrehaltigt medium kan därvid fördelas mellan dessa ställen i lika eller olika delar.

Vid den visade utföringsformen av återvinningsanlägg- ningen är reaktorn ett vertikalt anordnat reaktionskärl.

Vid en alternativ utföringsform (ej visad) har reaktorn formen av ett långstráckt reaktionsrör, som kan vara böjt, t.ex. i en plan serpentinslinga eller cirkelrund spiralslinga.

Pigment har en mindre partikelstorlek än fyllmedlet. I det fall då en större andel av returpapperet härrör från bestruket papper eller papp kan det vara lönsamt att med lämplig utrustning dela upp eller fraktionera det oorga- niska materialet i en första del med större partikelstor- lek och en andra del med mindre partikelstorlek som gäller för pigment. Den första delen utgör således fyll- medel och den andra delen pigment, som kan användas i en bestrykningssmet.

Försök har visat att det enligt uppfinningen återvunna oorganiska materialet är återanvändbart som fyllmedel i en papperstillverkningsprocess. Försök har dessutom visat att återanvändningen av enligt uppfinningen àtervunnet ; . . u. I ' u. .n-z 133, , .z u I . -. _, .

. -» I: 2: ,, .. ~ _' ' , ... - 1 8 Û 1 :- . . _ . 'nal til' - . . . - .- s 5 , . . ~ fyllmedel i tryckpapper ger tillfredsställande resultat med avseende pà fysikaliska, optiska och tryckegenskaper.

Claims (19)

:coon 10 15 20 25 30 35

1. l. 518 051 11 P A T E N T K R A V Sätt att kontinuerligt återvinna oorganiskt material ur ett avfärgningsslam, som erhålles som rejektmaterial vid återvinning av returfiber ur returpapper, och som har en torrsubstanshalt som normalt är mindre än 8% och inne- håller organiskt material i en mängd som normalt är över 35%, varvid resten är oorganiskt material, räknat på torrsubstanshalt, kännetecknat av att det innefattar följande steg: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (9) organiskt material i form av fibermaterial avlägsnas ur avfärgningsslammet i en förutbestämd mängd så att mängden kvarvarande organiskt material blir mellan 15 och 30%, räknat på torrsubstanshalt, vatten avlägsnas ur avfärgningsslammet så att torr- substanshalten ökar till 15-35%, varvid stegen (a) och (b) anpassas till varandra så att avfärgnings- slammet efter detta steg (b) är pumpbart, trycket hos det pumpbara avfärgningsslammet ökas till minst 22 MPa, temperaturen hos det pumpbara avfärgningsslammet höjs till minst 374°C, avfärgningsslammet införes i en reaktor under samti- dig kontinuerlig tillförsel av ett syrehaltigt medium i en tillräcklig mängd för oxidering av allt organiskt material vid ett tryck av minst 22 MPa och en temperatur av minst 500°C, en materialström, som innefattar nämnda oorganiska material, reaktionsmaterial och vatten förutom det som ingår i reaktionsmaterialet, uttages ur reaktorn och avkyles och tryckavlastas, och materialströmmen underkastas en materialseparering, som innefattar utvinning av det värdefulla oorga- niska materialet. 10 15 20 25 30 35 51 3 0 51 ÉÜ* ÅÉQÄÃÉ- 12

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att mängden kvarvarande organiskt material i nämnda steg (a) är 15-20%.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att nämnda steg (a) och steg (b) anpassas till varandra så att avfärgningsslammet efter nämnda steg (b) har en COD-halt inom intervallet 40-100 g/1, företrädesvis so-so g/1.

4. Sätt enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att i nämnda steg (d) höjs temperaturen hos det pumpbara avfärgningsslammet till högst 425°C.

5. Sätt enligt nägot av kraven 1-4, kännetecknat av att temperaturen i nämnda steg (e) är högst 650°C.

6. Sätt enligt krav 5, kännetecknat av att temperaturen i reaktorn är mellan 550°C och 600°C.

7. Sätt enligt något av kraven 1-6, kännetecknat av att nämnda materialseparering i nämnda steg (g) innefattar avdrivning av gaser, vilka utsläppes i atmosfären eller uppsamlas.

8. Sätt enligt krav 7, kännetecknat av att koldioxid utvinnes ur de uppsamlade gaserna.

9. Sätt enligt något av kraven 1-8, kännetecknat av att avfärgningsslammet underkastas en tvättning i samband med nämnda steg (b) eller mellan steg (b) och steg (c).

10. Sätt enligt krav 9, kännetecknat av att avfärgnings- slammet har en salthalt av högst 1000 ppm efter nämnda tvättning. :man 10 15 20 25 30 35 518 051 13

11. ll. Sätt enligt något av kraven 1-10, kännetecknat av att behandlingstiden i reaktorn är omkring 10 minuter eller mindre, företrädesvis omkring 5 minuter eller mindre och mest föredraget omkring 1 minut.

12. Sätt enligt något av kraven 1-11, kännetecknat av att fibermaterialet avlägsnas i steg (a) genom flotation, sedimentering, virvelrening, silning, centrifugering eller en kombination av två eller flera av dessa tekni- ker.

13. Sätt enligt krav 12, kännetecknat av att returfiber utvinnes ur det avlägsnade fibermaterialet.

14. Sätt enligt något av kraven 1-11, kännetecknat av att fibermaterialet avlägsnas i steg (a) genom biologisk nedbrytning (aerob eller anaerob) av en del av fibermate- rialet, omvandling av en del av fibermaterialet till eta- nol genom enzymatisk eller annan typ av hydrolys följd av jäsning eller en kombination av två eller flera av dessa tekniker.

15. Sätt enligt något av kraven 1-14, kännetecknat av att vatten avlägsnas i steg (b) genom sedimentering, vir- velrening, centrifugering, pressning i en lämplig press eller genom en kombination av två eller flera av dessa tekniker.

16. Sätt enligt något av kraven 1-15, kännetecknat av att det i steg (g) erhållna oorganiska materialet har en ljushet av minst 68% ISO.

17. Sätt enligt något av kraven 1-16, kännetecknat av att det i steg (g) erhållna oorganiska materialet under- kastas en efterbehandling för att öka ljusheten med 2 eller flera % ISO. nano: 10 15 20 25 30 35 518 051 14

18. Sätt enligt krav 17, kännetecknat av att efterbe- handlingen innefattar en rening för avlägsnande av ljus- hetssänkande metalloxider och/eller blekning med ett blekmedel.

19. att det utvunna värdefulla oorganiska materialet även Sätt enligt något av kraven 1-18, kännetecknat av innehåller pigment, som har en mindre partikelstorlek än fyllmedlets partikelstorlek, varvid det oorganiska mate- rialet delas upp i en fyllmedelsfraktion och en pigment- fraktion.