Intensification of Operation of Inclined Plate Settler at Fertilizer Plant

Fertilizer plant’s process waters contain high concentrations of nitrogen compounds, such as ammonium and nitrate. Phosphorus and fluorine, which originate from phosphoric acid and rock phosphate (apatite) used in fertilizer production, are also present. Phosphorus and nitrogen are the primary nutrients causing eutrophication of surface waters. At fertilizer plant process waters are held in closed internal circulation. In a scrubber system process waters are used for washing exhaust gases from fertilizer reactors and dry gases from granulation drums as well as for cooling down the fertilizer slurry in neutralization reactor. Solids in process waters are separated in an inclined plate settler by gravitational sedimentation. However, the operation of inclined plate settler has been inadequate. The aim of this thesis was to intensify the operation of inclined plate settler and thus the solids separation e.g. through coagulation and/or flocculation process. Chemical precipitation was studied to reduce the amount of dissolved species in process waters. Specific interest was in precipitation of nitrogen, phosphorus, and fluorine containing specimens. Amounts of phosphorus and fluorine were reduced significantly by chemical precipitation. When compared to earlier studies, annual chemical costs were almost eight times lower. Instead, nitrogen compounds are readily dissolved in water, thus being difficult to remove by precipitation. Possible alternative techniques for nitrogen removal are adsorption, ion exchange, and reverse osmosis. Settling velocities of pH adjusted and flocculated process waters were sufficient for the operation of inclined plate settler. Design principles of inclined plate settler are also presented. In continuation studies, flow conditions in inclined plate settler should be modelled with computational fluid dynamics and suitability of adsorbents, ion exchange resins, and membranes should be studied in laboratory scale tests.

Lannoitetehtaan prosessivedet sisältävät typpiyhdisteitä, kuten ammoniumia ja nitraattia, suurina pitoisuuksina. Prosessivesissä on myös fosforia ja fluoria, jotka ovat peräisin lannoitteiden valmistuksessa käytettävistä fosforihaposta ja raakafosfaatista. Fosfori ja typpi ovat vesistöjen rehevöitymistä aiheuttavat pääravinteet. Lannoitetehtaan prosessivedet kiertävät suljetussa kierrossa. Prosessivettä käytetään kaasunpesurijärjestelmässä lannoitereaktoreilta ja rakeistusrummuilta tulevien kaasujen pesuun sekä lannoiteprosessin jäähdytysvetenä neuralointireaktoreilla. Kiintoaineet erotetaan prosessivesistä lamelliselkeyttimessä painovoimaisesti laskeuttamalla. Nykytilanteessa lamelliselkeytin ei toimi tyydyttävällä tavalla. Tutkimuksen tavoitteena oli lamelliselkeyttimen toiminnan tehostaminen ja siten kiintoaineen erotustehokkuuden parantaminen esim. koagulaatio- ja/tai flokkulaatioprosessien kautta. Lisäksi tutkittiin liuenneiden aineksien, erityisesti typen, fosforin ja fluorin, poistamista prosessivesistä kemiallisella saostuksella. Fosfori- ja fluoripitoisuudet pienenivät merkittävästi kemiallisella saostuksella. Vuotuiset kemikaalikustannukset olivat lähes kahdeksan kertaa pienemmät kuin aiemmissa tutkimuksissa esitetyt. Typpiyhdisteet sen sijaan ovat hyvin vesiliukoisia, ja niiden poistaminen saostamalla on hankalaa. Mahdollisia tekniikoita typpiyhdisteiden poistamiseen ovat adsorptio, ioninvaihto ja käänteisosmoosi. Laskeutumisnopeudet pH-säädetyillä ja flokatuilla prosessivesillä olivat riittävät lamelliselkeyttimen toiminnan kannalta. Jatkotutkimuksissa olisi hyödyllistä mallintaa virtausominaisuudet lamelliselkeyttimessä sekä selvittää erilaisten adsorbenttien, ioninvaihtohartsien ja kalvojen soveltuvuutta typpiyhdisteiden poistamiseen laboratoriokokeiden avulla.