Optimerad ligninutvinning: Intern produktion av nödvändiga kemikalier

Intresset för lignin och dess användningsområden har varit stort under en lång tid. Trots detta så har marknadsutvecklingen gått långsamt framåt, både vad gäller uttagsnivåer men framförallt vidareförädling och kommersialisering av ligninbaserade produkter. En anledning till detta är att lignin är ett komplext material och att uttag av lignin får stora konsekvenser för massabruken.

Det finns idag flera tekniker för utvinning av kraftlignin från svartluten, exempelvis syrafällning, elektrolys och ultrafiltrering, där den förstnämnda är den mest utvecklade och enda industriellt implementerade tekniken. Vid syrafällning används vanligtvis CO2 i ett första steg för att surgöra svartluten och därmed fälla ut ligninet. I efterföljande steg surgörs och tvättas ligninet ytterligare genom tillsats av svavelsyra.

Implementering av ligninuttag - konsekvenser för massabruk

Massabruken är i utgångsläget balanserade gällande energi och kemikalier och har till exempel jobbat mycket med sin natrium/svavel (Na/S) balans med syfte att kontrollera sulfiditeten och hålla koll på kostnaderna för makeup-kemikalier. Implementering av ligninuttag ger stora konsekvenser för bruket och dess balanser. Även om själva ligninuttaget sker från svartluten, kopplat till indunstningen, så får uttaget och dess process konsekvenser på flertal andra positioner vid bruket, som exempelvis brukets system för energiförsörjning. För att möjliggöra ligninuttag i större utsträckning krävs att dessa konsekvenser kan hanteras på ett effektivt och hållbart sätt.

Att nå ligninets fulla potential

Processerna för ligninuttag är idag i stor utsträckning linjära, vilket exempelvis kan innebära att kemikalier med ett visst CO2 avtryck, köps in och tillsätts processen. Konsekvensen av detta är att utgående flöden från bruket ökar i motsvarande grad, vilket kommer få konsekvenser i form av ökade utsläpp. De vanligaste teknikerna använder främst koldioxid och svavelsyra för surgörning och tvätt, och beroende på deras tillverkning och ursprung har de olika miljöpåverkan. Även om lignin ses som en hållbar och grön produkt, finns det fortfarande förbättringar att göra för att göra själva ligninuttaget mer hållbart.

Vektordiagrammet i figur 1 visar ett schematiskt exempel på hur Na/S-balansen skulle kunna påverkas vid ligninuttag där svavelsyra används för surgörning och tvätt. Man kan se att mängden utblödd elfilteraska behöver ökas kraftigt för att få Na/S-balansen att gå ihop. Då mängden utblödd elfilteraska (primärt Na2SO4) ökas, så ökas även behovet av Na-makeup, vilket i figur redovisas i form av NaOH. Det är väsentligt att denna Na/S-balans hålls stabil på önskad nivå för att inte påverka massabrukets drift, exempelvis sodahuspannans utsläpp av SO2. 

Kraftmassabruk är även under allt större press att minska mängden natrium och svavel som de släpper ut i avloppsvatten av både ekonomiska och miljömässiga skäl. Utsläpp av salt (exempelvis elfilteraska) med avloppsvatten förväntas begränsas ytterligare genom strängare miljöregler.

Minskad linjäritet

Ett sätt för att minska linjäriteten kopplat till ligninseparation är att producera svavelsyra internt vid bruket utifrån mer eller mindre befintliga restströmmar. Den interna produktionen av svavelsyra minskar behovet att blöda ut elfilteraska för att upprätthålla massabrukets Na/S-balans. Intern produktion av svavelsyra är också ett effektivt sätt att separera natrium- och svavelströmmar, vilket kan vara fördelaktigt för brukets Na/S-balans och dess reglering.

Svavelsyra är en av de mest använda kemikalierna globalt, med en årlig produktion på över 250 miljoner ton. Den framställs huvudsakligen genom förbränning av elementärt svavel för att producera SO2, men industriella avfallsgaser som SO2, H2S, COS och CS2 används också. Alla produktionsprocesser innefattar den katalytiska reaktionen av SO2 med O2 för att bilda SO3, följt av reaktionen av SO3 med H2O för att bilda H2SO4.

Användningen av natriumsulfid (Na2S) i kraftmassaprocessen innebär att en relativt stor mängd svavelhaltiga gaser genereras, vanligtvis som metylmerkaptan (CH3SH), dimetylsulfid (CH3SCH3), dimetyldisulfid (CH3SSCH3) och vätesulfid (H2S). Dessa gaser (även kallade starkgaser/CNCG) samlas normalt in och förbränns/destrueras. Dessa svavelhaltiga gaser kan istället omvandlas till svavelsyra och eliminera eller minska behovet av färsk svavelsyra vid ligninuttag. Mängden svavel i starkgaserna varierar mellan olika bruk och den uppskattade mängden svavel som släpps ut i starkgaserna ligger mellan 3 och 7 kg S per producerad ton massa. Det är tillräckligt för att kunna generera en relevant mängd svavelsyra för ligninseparation, beroende på det aktuella bruket samt storleken på anläggningen för ligninseparation.

Det finns idag etablerade tekniker för att tillverka svavelsyra utifrån starkgaser och flertal anläggningar i drift. Det finns även metoder för att öka mängden genererade starkgaser, vilket möjliggör en högre intern produktion av svavelsyra.

Intern infångning av CO2 i olika skala

En stor del av den CO2 som släpps ut kommer från processindustrin och under 2020 genererade exempelvis 21 av de största massa- och pappersbruken i Sverige över 21 miljoner ton biogen CO2. CO2-utsläpp från ett modernt massabruk är generellt av biogent ursprung och har tre huvudsakliga källor: sodapannan, mesaugnen och biomassepannan. Det finns flera olika metoder för CO2-infångning och en utmaning som de alla har gemensamt är att minska energibehovet och investeringskostnaden. Båda dessa är höga och utgör tillsammans ett hinder för kommersiell implementering i större skala.

Egen infångning av CO2 skulle kunna vara ett möjligt sätt att skapa en mer hållbar process för ligninseparation och samtidigt vara ekonomiskt lönsamt. Kostnaden för inköp av CO2 utgör en stor del av driftskostnaden vid ligninuttag, då CO2 används för att sänka pH och fälla ut ligninet. En anläggning för ligninseparation med en kapacitet på 50 000 ton lignin per år förbrukar årligen cirka 8-13 000 ton CO2. Inköpskostnaden för denna CO2 är betydande.

Den mängd CO2 som krävs vid ligninuttag är dock förhållandevis liten i relation till den mängd CO2 som finns tillgänglig i rökgaserna vid massabruket. Sodapannan genererar de största mängderna rökgas och CO2, men rökgasen har en förhållandevis låg andel CO2 jämfört med exempelvis de rökgaser som lämnar mesaugnen. Rökgasen från mesaugnen är därför en mer lämplig källa till CO2 för denna tillämpning, då den har en mer än tillräcklig mängd CO2vid en relativt hög koncentration. Rökgas med en högre koncentration av CO2 resulterar i en något lägre investeringskostnad och specifik energiförbrukning.

Massabrukets energibalans en avgörande faktor

Det finns idag anläggningar för infångning av CO2 i olika skala, exempelvis modulbaserade lösningar med en skala som lämpar sig för CO2 infångning anpassat för ligninseparation, till stora anläggningar lämpliga för att fånga in miljontals ton CO2 per år. Då CO2 för ligninseparation skall användas lokalt och ej har alltför höga krav gällande renhet, så behöver den infångade CO2 ej renas i samma utsträckning, ej heller förvätskas. Samtidigt ökar intresset och incitamenten för att fånga in stora mängder biogen CO2 (BECCS), både för slutförvaring och som råvara för olika kemikalier och drivmedel. Skulle massabruken fokusera på storskalig infångning av CO2, från t.ex. sodapannan, så skulle den mängd CO2 som krävs för ligninseparation vara en relativt liten och försumbar del. Denna lösning med ligninseparation och storskalig infångning av CO2 skulle självklart vara intressant ur ett miljö- och hållbarhetsperspektiv, men kan högst troligt stöta på problem utifrån massabrukets energibalans. Både ligninuttag och infångning av CO2 kommer att generera stora konsekvenser på brukets energibalans. Uttag av lignin innebär en minskning av bränsle till sodapannan och därav minskad ångproduktion, medan processen för infångning av CO2 är energikrävande, i form av ånga och/eller el.

Brukets kapacitet och möjlighet att frigöra energi kommer att vara en begränsande och avgörande faktor för hur mycket CO2 som skulle kunna fångas in. Det kan därför vara relevant att utforma ett BECCS-koncept för att fånga in en begränsad mängd CO2 så att brukets energibalans kan uppfyllas utan att behöva göra alltför omfattande förändringar och/eller investera i kompletterande utrustning.

Idag är teknologierna för utvinning av kraftlignin, produktion av svavelsyra genom användning av starkgaser och infångning av CO2 från rökgaser alla kommersialiserade och beprövade processer. Dessa tre processteg kan kombineras för att utvinna kraftlignin på ett mer resurseffektivt och hållbart sätt. Intern produktion av svavelsyra och CO2 kommer sannolikt även att ha en positiv inverkan på driftkostnaderna (OPEX) eftersom kostnaden för CO2 och svavelsyra, i kombination med natrium make-up, är betydande.

AFRYs expertis och engagemang

AFRY har lång erfarenhet av ligninrelaterade projekt, både inom själva ligninuttaget men även inom processer för vidareförädling. AFRYs långa och djupgående erfarenhet och kunskap kring massabruken och deras system gör oss väl lämpade för att hantera frågor kring integrering av ligninuttag och dess påverkan på brukets balanser. AFRY är även aktiva i utvecklingen av ligninbaserade produkter och deras marknad. Vi har i ett flertal olika projekt analyserat hur lignin kan vidareförädlas till nya produkter och användningsområden. Utöver detta så ansvarar AFRY för ett ligninrelaterat nätverk i Finland; www.ligninclub.fi. Ligninnätverkets mål är att påskynda utvecklandet av ligninmarknaden och främja framgången för slutanvändarapplikationer. Nätverket samordnas av AFRY och finansieras av deltagande företag och organisationer.

AFRY har även god kompetens och erfarenhet inom CO2-infångning, både vad gäller tekniska aspekter men även vad gäller mer strategiska och affärsmässiga aspekter. Vi tillhandahåller tjänster som sträcker sig från konceptuell utveckling till implementering med en samlad expertisen genom våra managementkonsulter och ingenjörsteam.