Separation och återvinning av kaliumklorid från flygaska

Sammanfattning: 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.