Jäähdytykseen ja täyssuolanpoistoon perustuva lauhteen puhdistus soodakattilalaitoksella

Tämän diplomityön oleellisempana tavoitteena oli tutkia ioninvaihtohartsien pitkäaikaista toiminnallista lämpötilakestävyyttä kirjallisuustutkimuksin ja kuormituskokein. Lisaksi työssä optimoitiin taloudellisesti ja teknisesti paras kytkentävaihtoehto soodakattilan lauhteenpuhdistuslaitokselle. Tässä diplomityössä selvitettiin myös soodakattilan ulospuhallusveden sisältämien veden jälkiannostelukemikaalien ja epäpuhtauksien vaikutusta ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.; Ioninvaihtohartsien lämpötilakestävyyteen liittyvät koeajot suoritettiin Stora Enso Laminating Papers Oy Kotkan tehtaalla. Koeajoja varten oli erikseen suunniteltu koeajolaitteisto, jossa lauhdenäytettä puhdistettiin patruunasuotimella ja sekavaihtimella. Sekavaihtimessa käytettiin vahvoja anioni- ja kationihartseja. Koeajoja oli yhteensä neljäkappaletta ja niissä tutkittiin hartsien lämpötilakestävyyttä ja anionihartsin silikaatti-vuodon riippuvuutta lämpötilasta. Lämpötilakestävyyskoeajoissa käytetyt hartsit lähetettiin Rohm and Haasille analysoitavaksi. Lopulta koeajojen tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyihin aikaisempiin tutkimuksiin. Lauhteenpuhdistuslaitoksen kytkentävaihtoehtojen optimoinnissa käytettiin apuna Kotkan ja UPM-Kymmene Oyj Pietarsaaren tehtaiden kokemuksia. Kytkentävaihtoehtojen energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 -180 kg/s. Lisaksi selvitettiin kytkentävaihtoehtojen investointikustannukset ja kertakäyttöhartsien vuotuiset kustannukset laitokselle, jossa syöttöveden virtaus oli 67 kg/s. Ulospuhalluksen talteenottojärjestelmän energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 - 180 kg/s. Laskelmien lähtökohtana käytettiin kunkin soodakattilan ulospuhallusveden määriä, jotka selvitettiin tehdasvierailujen yhteydessä. Ulospuhallusveden epäpuhtauksien ja jälkiannostelukemikaalien pitoisuudet arvioitiin kattilaveden perusteella. Aikaisempien kokemusten perusteella arvioitiin, että ulospuhallusvesi johdettaisiin lisäveden valmistukseen ennen suolanpoistosarjoja. loninvaihtohartsien kuormituskokeiden ja kirjallisuustutkimusten perusteella oli selkeästi nähtävissä, että etenkin anionihartsin kapasiteetti heikkeni nopeasti lämpötilan ollessa yli 60 °C. Kationihartsin suolanpoistolle kriittinen lämpötilaraja on 100 °C.Lisäksi yli 60 °C:ssa anionihartsi ei pysty poistamaan silikaattia lauhteesta. Seuraavaksi on esitelty lauhteenpuhdistuslaitoksen optimikytkentävaihtoehdot sekä vanhoille että uusille laitoksille. Vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa on käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on erilliset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Uudelle ja vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa ei ole käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on yhteiset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Lauhteen puhdistuksessa käytetyt sekavaihtimen toimintalämpötila on 45 °C molemmissa kytkentävaihtoehdoissa. Kertakäyttöhartsien käyttö osoittautui suuressa mittakaavassa kannattamattomaksi. Tämä asia tarvinnee kuitenkin jatkotutkimuksia. Ulospuhallusveden talteenotolla saadaan energiasäästöä 6-53 k¤/a riippuenlaitoksesta. Etenkin soodakattilalaitoksissa, joissa soodakattila ja vedenkäsittelylaitos sijaitsevat lähellä toisiaan, kannattaa ulospuhallusvesi johtaa lisäveden valmistukseen. Jos edellä mainittujen laitosten etäisyydet kasvavat, saattavat ulospuhallusjärjestelmän investointi-kustannukset nousta kohtuuttoman suureksi. Tämä työ osoitti myös, että ulospuhallusveden epäpuhtauksilla ei ole merkittävää vaikutusta kemiallisesti puhdistetun veden laatuun ennen suolanpoistolaitosta ja ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.

The main objective of this master's thesis was to study extended operational temperature durability of ion exchange resins by means of theoretical research and load test runs. Another objective of the study was to determine the technically and economically optimal condensate polishing system for a recovery boiler plant. The study also delved into how the boiler chemicals and contaminants contained in the blowdown water affected on the lifetime of ion exchange resins. The test runs that were used to measure the temperature durability of ion exchange resins were performed in Stora Enso Laminating Papers Oy Kotka mills. For the test runs, a special test run device was designed, in which a condensate sample was polished using a cartridge filter and a mixed bed unit. Strong acid cation exchange resin and strong base anion exchange resin were used in the mixed bed. There were four test runs in all, in which both temperature durability of the resins and the temperature's effect on the silicate leakage of anion resin were researched. The resins used in the temperature test runs were delivered to be analysed at Rohm and Haas. Finally, the results of the test runs were compared with earlier analysis.Operational experience gathered from Kotka and UPM-Kymmene Oy Pietarsaari millswere utilised in optimising the condensate polishing system. Energy balances for different configurations were calculated for six different plants whose feedwater streams varied between 37 kg/s and 180 kg/s. Furthermore, the investment costs for each configuration, as well as the yearly costs derived from the use of disposable resins, were calculated for a recovery boiler plant with a feedwater stream of 67 kg/s.¿The energy balances for a blowdown recovery system were also calculated for six different plants whose feedwater streams were between 37 kg/s and 180 kg/s. The calculations were based on the blowdown water stream from eachrecovery boiler. The blow-down water streams were determined during mill visits. The amount of contaminants and boiler chemicals in the blowdown water was evaluated on the basis of boiler water properties. According to previous experiences, it was estimated that the blowdown water should be conveyed to the make-up water conditioning prior to the desalination plant. According to the test runs on the ion exchange resins and theoretical research, it became evident that especially the capacity of anion resin decreased quickly when the temperature rose over 60°C. The critical temperature for the demineralisation of cation resin proved to be approximately 100°C. In addition, in temperatures over 60°C, anion resin was not able to remove silicate from the condensate. Further in the study, the optimum condensate polishing configurations are given for both a new plant and an old plant. In an old plant, which previously has used mechanical filter to polishthe condensate and mixed bed to demineralise make-up water, the best option is to use separate mixed beds for the condensate and the make-up water. In a plant,in which the condensate has conventionally been polished using a mechanical filter, and a mixed bed unit has not been used in the make-up water demineralisation, the best condensate system can be achieved by utilising a shared mixed bed for both the condensate and the make-up water. The operational temperature for a mixed bed in both occasions is 45°C. Disposable resins turned out to be too expensive to use in a large scale. This issue should undoubtedly be subjected to further examination in the future. In blowdown water recovery it is possible to achieve energy savings between 6 k¤/a and 53 k¤/a, depending on the recovery boiler plant in question. Especially in the case of recovery boiler plants, in which the boiler and the water treatment plant are closely spaced, it would be economical to convey the blowdown water to make-up water conditioning. If the distance between the boiler and the water treatment plant is too great, the investment costs of the blowdown recovery system may become unreasonably high. This study indicates too, that the contaminants of the blowdown water do not affect the lifetimeof ion exchange resins.