Benefits of energy integration in a freezing process

Abstract

This thesis discusses the energy requirements of the freeze towing and dissolution of a cellulose-based material (e.g. disposed clothing) in a chemical textile recycling process. The energy required for heating and/or cooling in each phase of the process were calculated, acknowledging the variation of the chemical properties of the process stream between phases. Then a model was proposed for circulating excess heat within the system (energy integration) to minimize the external power required. In addition, it was assessed how lowering the water concentration of the process stream could reduce the energy requirements of the process.

The treated phases included the preliminary heating of the process stream, preparation of a ZnO-NaOH solution and freezing as well as melting of the process stream in a freezing tunnel (including liquid nitrogen preparation). The heating was assumed to be completed with hot water or saturated steam and the cooling with cold water or liquefied nitrogen. These phases only cover a part of the entire textile recycling process; the pretreatment of cellulose (e.g. tearing and bleaching) or further processing after the dissolution phase were not discussed in this study.

It was found that heat circulation effectively removes the need for saturated steam in all process phases except the preliminary heating, which occurred at temperatures of over 130 C. Heated cooling water from the nitrogen compressor can, at least, fully melt the frozen pulp and partly preheat the fresh water going to the ZnO-NaOH preparation tank. The most significant questions concerning the energy efficiency of the whole process are linked to the liquid nitrogen, as the power requirements of its production are potentially over ten times as large than the requirements of all the other process stages combined. In addition, several compressors may be needed to produce liquid nitrogen at sufficient efficiency, which would further increase the costs.

Reducing the water content of pulp would have a great effect on the total need of liquid nitrogen but further study is required to assess where and how much of the water can be reduced. Other still unanswered questions are how fully the cooling potential of evaporated but still very cold nitrogen can be realized inside the freezing tunnel and what the maximum achievable efficiency of the liquefaction process is.

Tämä opinnäytetyö käsittelee selluloosapohjaisen materiaalin jäädytysavusteisen liuotuksen energian tarvetta kemiallisessa tekstiilinkierrätysprosessissa. Käytännössä lämmitykseen ja/tai viilennykseen tarvittu energian määrä laskettiin kussakin prosessin vaiheessa huomioiden prosessivirran kemiallisen koostumuksen muuttuminen vaiheiden välillä. Työssä ehdotettiin tapaa kierrättää ylijäämälämpöä prosessien välillä ulkoisen energiantarpeen minimoimiseksi (energiaintegraatio). Lisäksi laskettiin, kuinka paljon prosessivirran vesikonsentraation alentamisella voisi vähentää kokonaisenergiantarvetta.

Käsitellyt vaiheet olivat prosessivirran esilämmitys, ZnO-NaOH-liuoksen valmistaminen ja selluloosamassan kulkeminen jäädytystunnelin läpi. Lämmityksen oletettiin tapahtuvan joko kuumalla vedellä tai kyllästetyllä höyryllä ja jäähdytyksen kylmällä vedellä tai nestetypellä (jäädytystunnelissa). Nämä vaiheet ovat vain osa koko tekstiilinkierrätysprosessia: selluloosan esikäsittely (esimerkiksi revintä ja valkaisu) sekä liuotuksen jälkeiset vaiheet eivät kuuluneet tähän tutkimukseen.

Energiaintegraation huomattiin poistavan kylläisen höyryn tarpeen kaikista muista prosessin vaiheista paitsi esilämmityksestä, joka tapahtui yli 130 asteen lämpötilassa. Typpikompressorin jäähdytyksen sivutuotteena syntyvä kuuma vesi pystyy sulattamaan jäädytetyn selluloosamassan täysin ja lisäksi osin lämmittämään ZnO-NaOH-preparaatiotankkiin sisään menevän veden. Tärkeimmät kysymykset prosessin energiatehokkuuden kannalta liittyvät nestetypen tuotantoon, jossa tehontarve on mahdollisesti yli kymmenen kertaa suurempi kuin kaikkien muiden prosessivaiheiden yhteensä. Lisäksi useita kompressoreja saatetaan tarvita nestetypen riittävän tehokkaaseen tuotantoon, mikä ennestään lisää kuluja.

Selluloosamassan vesikonsentraation alentaminen vähentäisi erittäin merkittävästi nestetypen tarvetta, mutta lisätutkimuksia tarvitaan osoittamaan, kuinka paljon ja missä prosessin vaiheissa veden määrää voi laskea. Muita kysymyksiä, joihin tässä työssä ei saatu vastausta, ovat muun muassa, onko jäädytystunnelissa kaasuuntuneella, mutta edelleen hyvin kylmällä typellä edelleen jäähdytyspotentiaalia, ja mikä on sen suurin mahdollinen nesteytysprosessin tehokkuus.