Способ и установка для переработки черного щелока целлюлозного завода

Способ и установка для переработки черного щелока целлюлозного завода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

Изобретение относится к способу переработки черного щелока целлюлозного завода для извлечения заключенных в нем химикатов и энергии. Изобретение также относится к установке для переработки черного щелока целлюлозного завода для извлечения заключенных в нем химикатов и энергии.

При производстве целлюлозы древесное сырье, такое как щепа, обрабатывают, используя тепло и химикаты, путем его варки в химическом растворе, который содержит щелок помимо других компонентов. Этот процесс называется варкой целлюлозы. Целью этого процесса является удаление лигнина, связывающего волокна. Химикаты для варки, используемые в сульфатной варке, представляют собой смесь гидроксида натрия (NaOH) и сульфида натрия (Na₂S). В содовом способе варки химикат для варки представляет собой гидроксид натрия (NaOH). В карбонатном способе варки химикат для варки представляет собой карбонат натрия (Na₂CO₃). После варки волокнистую целлюлозу, отделенную от древесного материала, выделяют из варочного щелока, в котором остаются различные компоненты древесного материала, такие как лигнин и неорганические вещества, растворенные в ходе варки. Данную химическую смесь, то есть черный щелок, отделенную после варки, впоследствии испаряют в установке испарения для того, чтобы произвести горючий материал, который содержит как можно меньше воды. Данный материал, получаемый с конечной стадии установки испарения и обычно подаваемый в котел-утилизатор для сожжения, может иметь содержание сухих веществ вплоть до 85%.

Традиционно черный щелок сжигают в котле-утилизаторе, посредством чего производятся пар и электроэнергия для использования в качестве энергии на самом заводе и, возможно, на продажу. Неорганическую часть черного щелока удаляют из котла-утилизатора в виде соли в жидком состоянии; котел производит тепло, которое нагревает и превращает воду в пар для производства энергии, и соль в жидком состоянии, из которой повторно получают химикаты для варки. Данная обработка раскрыта, например, в патентах Финляндии 82494 и 91290.

Газификация черного щелока была опробована в качестве замены котлу-утилизатору, но коммерчески конкурентоспособное решение еще практически не найдено.

Публикация WO 2004/005610 раскрывает решение, в котором черный щелок подвергают пиролизу, и полученный в результате пиролиза кокс газифицируют. Однако данный способ труден для реализации на практике и требует отдельной и дорогостоящей установки газификации.

Сущность изобретения

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы предоставить способ и установку для переработки черного щелока, в которых котел-утилизатор может быть удален из процесса переработки и которые являются простыми и легко осуществимыми с использованием главным образом уже имеющегося оборудования целлюлозного завода.

Способ изобретения отличается

- подачей черного щелока в реактор пиролиза, имеющий по существу не содержащее кислорода пространство,

- подачей в реактор пиролиза песка, нагретого в котле с псевдоожиженным слоем, посредством которого черный щелок газифицируется и образует газообразные компоненты и твердое вещество,

- направлением газообразных компонентов, образовавшихся в реакторе пиролиза, на утилизацию,

- отделением песка от твердого вещества, образовавшегося в реакторе пиролиза, и возвращением его в котел с псевдоожиженным слоем,

- добавлением воды к оставшемуся твердому веществу, в которой растворяется сода, содержащаяся в твердом веществе,

- возвращением образовавшегося раствора сода-вода в процесс варки целлюлозы и возвращением оставшегося твердого угля в котел с псевдоожиженным слоем.

Установка согласно изобретению отличается тем, что она включает в себя

- котел с псевдоожиженным слоем,

- реактор пиролиза, в который подают черный щелок и где черный щелок подвергается пиролизу в по существу не содержащем кислорода пространстве и образует газообразные компоненты и твердое вещество,

- средство подачи песка, полученного из котла с псевдоожиженным слоем, в реактор пиролиза,

- средство направления газообразных компонентов, образовавшихся в реакторе пиролиза, на утилизацию,

- сепаратор для отделения песка от твердого вещества, образовавшегося в реакторе пиролиза,

- средство для возвращения отделенного песка в котел с псевдоожиженным слоем,

- реактор смешения для смешения отделенного твердого вещества с водой, так что сода, содержащаяся в твердом веществе, растворяется в воде, и

- средство для возвращения раствора сода-вода в процесс варки целлюлозы и для возвращения оставшегося твердого угля в котел с псевдоожиженным слоем.

Основная идея изобретения заключается в том, что черный щелок подвергают пиролизу, подавая черный щелок и песок, нагретый в котле с псевдоожиженным слоем, в один и тот же реактор пиролиза, в котором черный щелок нагревается до подходящей температуры в по существу не содержащем кислорода пространстве, так что летучие материалы, содержащиеся в черном щелоке, трансформируются в газообразное состояние. Еще одна основная идея изобретения заключается в том, что газообразные компоненты отделяют от твердого вещества и подают на утилизацию, например, на производство электроэнергии; песок отделяют от твердого вещества и направляют назад в котел с псевдоожиженным слоем; а твердое вещество смешивают с водой, получая, таким образом, раствор сода-вода и в качестве твердого материала углерод, который направляют, например, в котел с псевдоожиженным слоем для дополнительного использования. Согласно одному варианту осуществления инертный газ или смесь газов также подают в реактор пиролиза. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения газообразные компоненты, образовавшиеся в реакторе пиролиза, направляют на дополнительную обработку, такую как очистка и/или конденсация. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения песок подают в реактор пиролиза настолько горячим, что он нагревает черный щелок до температуры, необходимой для пиролиза, посредством чего не требуется дополнительный нагрев в реакторе пиролиза.

Способ согласно изобретению обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что только одним химическим циклом достигается извлечение энергии и химикатов. Кроме того, пиролизное масло, отделенное от газообразных компонентов конденсацией, может быть использовано в качестве заменителя ископаемого топлива или, если необходимо, оно может быть дополнительно очищено для получения транспортного топлива. Другое преимущество представляет собой то, что когда пиролиз является быстрым, образование газов максимально. Также, поскольку температура пиролиза низка, избегаются проблемы коррозии и загрязнения, присущие обычным котлам-утилизаторам.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, среди которых:

На Фиг.1 представлен схематичный вид одной установки для применения способа согласно изобретению, и

На Фиг.2 представлен схематичный вид второй установки для применения способа согласно изобретению,

На Фиг.3 представлен схематичный вид третьей установки для применения способа согласно изобретению, и

На Фиг.4 представлен схематичный вид четвертой установки для применения способа согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

На Фиг.1 представлен схематичный вид установки, подходящей для применения способа согласно изобретению. Она имеет котел 1 с псевдоожиженным слоем, в котором сжигают подходящее топливо 2, наиболее предпочтительно, топливо, образовавшееся на целлюлозном заводе. Также возможно подавать в котел с псевдоожиженным слоем известное твердое, жидкое или газообразное вспомогательное топливо 3, такое как нефть, газ или какое-либо другое подходящее топливо. Из котла с псевдоожиженным слоем образовавшиеся дымовые газы 4 направляют известным самим по себе образом на очистку и, возможно, рекуперацию тепла.

Из котла с псевдоожиженным слоем нагретый песок 5, имеющий типичную температуру 200°C-900°C, направляют в реактор 6 пиролиза, в который также подают черный щелок 7 и псевдоожижающий газ 8. Реактор 6 пиролиза может представлять собой любой подходящий реактор, такой как печь с псевдоожиженным слоем или тому подобное.

Псевдоожижающий газ 8 представляет собой инертный газ или смесь газов. С этой целью возможно использовать чисто инертные газы, но значительно более предпочтительно использовать, например, любые описанные ниже неконденсированные газы или газы, которые содержат прореагировавшие газы или газовые смеси, такие как монооксид углерода, диоксид углерода, азот, оксиды азота или водяной пар. Дополнительно, даже дымовые газы, очищенные от твердого вещества, такие как дымовые газы из котла с псевдоожиженным слоем, могут быть использованы в качестве псевдоожижающего газа.

Температура в реакторе 6 пиролиза составляет приблизительно 200°C-900°C, предпочтительно 400°C-700°C. Когда горячий песок 5, имеющий температуру 200°C-900°C, подают в него, он нагревает черный щелок. Газообразные компоненты 9 и твердое вещество 10, которое содержит главным образом соду и твердый углерод, впоследствии образуются в реакторе из материала черного щелока.

Газообразные компоненты 9 направляют для дополнительной обработки или использования как таковых в их газообразной форме для получения транспортного топлива или в качестве вспомогательного топлива в котле 1 с псевдоожиженным слоем. Альтернативно, газы могут быть направлены в конденсатор 11. В конденсаторе 11 сконденсированные газы образуют масло 12, которое направляют для использования в качестве топлива для производства электроэнергии, или же оно может быть дополнительно очищено для получения, например, автомобильного топлива. Данное масло может быть также использовано в котле 1 с псевдоожиженным слоем в качестве вспомогательного топлива. Неконденсированные газы 13 в свою очередь направляют на производство электроэнергии или для утилизации другими способами, и по меньшей мере часть из них может быть направлена назад в котел 1 с псевдоожиженным слоем в качестве вспомогательного топлива или псевдоожижающего газа 8.

Смесь твердого вещества и песка подают в сепаратор 14, где песок 5 отделяют от остатка твердого вещества и возвращают в котел 1 с псевдоожиженным слоем. Оставшееся твердое вещество 15 подают в реактор 16 смешения, в который также добавляют воду 17. Сода в твердом состоянии (тв.), Na₂CO₃ (тв.), присутствующая в твердом веществе 16, растворяется затем в воде и может быть направлена назад в процесс варки целлюлозы в виде раствора 18 сода-вода [H₂O+Na₂CO₃ (водн.)]. Оставшееся твердое вещество 19 представляет собой главным образом твердый углерод, который может быть возвращен в котел с псевдоожиженным слоем как таковой или после высушивания в сушилке 20.

Газообразные компоненты и твердое вещество также могут быть направлены в отдельный газовый сепаратор 21, который может представлять собой, например, обычный циклонный сепаратор. В газовом сепараторе 21 твердое вещество и песок, образовавшиеся в реакторе 6 пиролиза, отделяют от газообразных компонентов, которые направляют на утилизацию, а твердое вещество и песок направляют в сепаратор 14 для отделения их друг от друга. Если необходимо, реактор 6 пиролиза можно нагревать, также используя отдельный тепловой источник 22, так что в реактор пиролиза не подается кислородсодержащий материал. Наиболее предпочтительно используют непрямой нагрев, при котором тепло теплового источника используется для того, чтобы нагреть реактор пиролиза извне.

На Фиг.2 представлен схематичный вид второй установки, подходящей для применения способа согласно изобретению. Те же ссылочные позиции, которые использованы на Фиг.1, использованы для соответствующих компонентов в случае Фиг.2, и для них не дается отдельного пояснения, если это не является необходимым для понимания сути. Решение, показанное на Фиг.2, отличается от решения, показанного на Фиг.1, тем, что реактор пиролиза представляет собой вращающуюся печь, которую нагревают извне.

В данном случае реактор 6 пиролиза представляет собой главным образом горизонтальную, трубообразную печь, которая может также вращаться вокруг своей продольной оси. Черный щелок 7 и песок 5 предпочтительно подают в верхний конец, то есть загрузочный конец слегка наклонно расположенной печи, и, соответственно, твердый материал 10 удаляют из нижнего конца, то есть разгрузочного конца трубообразной печи, в сепаратор 14. Внутри печи также может находиться, располагаясь в ее продольном направлении, смеситель или подающий шнек, который продвигает твердое вещество через печь с подходящей скоростью. Газовые компоненты 9, образовавшиеся в реакторе 6 пиролиза, удаляют из верхнего конца трубообразной печи и направляют на утилизацию или переработку, как показано на Фиг.1. В данном варианте осуществления отсутствует необходимость в отдельном сепараторе для отделения твердого вещества и газов друг от друга, и печь, служащая реактором 6 пиролиза, служит также средством для их разделения.

Дымовые газы 4 из котла 1 с псевдоожиженным слоем направляют по отдельному каналу 22, чтобы нагреть реактор 6 пиролиза. Вокруг трубообразной печи создана предпочтительно теплоизоляционная канальная система или пространство, через которое текут дымовые газы из котла 1 с псевдоожиженным слоем, так что дымовые газы подходят к разгрузочному концу реактора 6 пиролиза, то есть трубообразной печи, и затем текут по направлению к загрузочному концу печи и оттуда дымовые газы 4 удаляют для переработки по необходимости. Таким образом, в реакторе пиролиза имеет место противоточный нагрев, посредством которого подвергаемый пиролизу черный щелок постоянно нагревается по мере того, как он продвигается через печь по направлению к разгрузочному концу. По меньшей мере один разгрузочный канал 23 для разгрузки твердого вещества, такого как зола, отделенного от дымовых газов, предпочтительно сформирован в канале 22 дымового газа в реакторе пиролиза или каком-либо другом подходящем месте.

Вместо или в дополнение к нагреву дымовыми газами котла с псевдоожиженным слоем, реактор пиролиза может быть нагрет также горелками, использующими жидкое или газообразное топливо путем подачи их горячих дымовых газов для нагрева реактора пиролиза.

В случае применения отдельного внешнего нагрева в реакторе пиролиза температура подаваемого в него песка может быть ниже, поскольку песку нет необходимости нагревать черный щелок до температуры пиролиза, так как это выполнено за счет дополнительного нагрева. Таким образом, температура подаваемого песка может составлять только 200°C или более.

Если ввиду эксплуатации реактора 6 пиролиза температура стремится возрасти слишком высоко или отходящие дымовые газы являются слишком горячими, дымовые газы могут быть охлаждены перед тем, как их подадут для нагрева реактора 6 пиролиза, используя охлаждающие растворы, известные сами по себе, например, в холодильниках или на поверхностях теплоотдачи 24, в которых тепло дымовых газов извлекается и утилизируется где-либо еще в процессе.

Вместо нагрева дымовыми газами также возможно применять какой-либо другой способ нагрева, при использовании которого температура в реакторе 6 пиролиза становится подходящей для пиролиза и составляет предпочтительно 400°C-700°C.

В случае использования горизонтальной печи в качестве реактора 6 пиролиза, она не требует отдельного псевоожижающего газа.

Фиг.3 и 4 иллюстрируют другие дополнительные варианты осуществления изобретения.

На Фиг.3 показано решение, соответствующее решению Фиг.1, а на Фиг.4 показано решение, соответствующее решению на Фиг.2, за исключением того, что они также имеют отдельный сосуд 25 каустизации, в который подают раствор 18 сода-вода [H₂O+Na₂CO₃ (водн.)]. Кроме того, оксид кальция 26 (CaO) подают в виде твердого вещества (тв.) в сосуд 25 каустизации, посредством чего получают гидроксид натрия (NaOH) и карбонат кальция (CaCO₃) в качестве продукта реакции. Образованную ими смесь 27 направляют в сепаратор, который известен сам по себе и не показан на чертежах и из которого гидроксид натрия (NaOH) возвращают в процесс, а карбонат кальция (CaCO₃) направляют на обжиг способом, известным сам по себе, после которого образовавшийся оксид кальция (CaO) может быть снова подан в сосуд каустизации.

Способ согласно изобретению, таким образом, не требует обычного котла-утилизатора, и извлечение химикатов черного щелока может быть проведено главным образом посредством реактора пиролиза, размер и инвестиционные расходы которого представляют собой долю расходов котла-утилизатора. Подобным образом, эксплуатационные расходы реактора пиролиза довольно низки по сравнению с котлом-утилизатором. Поскольку газ, образующийся в реакторе пиролиза, может быть также использован или дополнительно очищен для применения в качестве топлива газовых турбин или дизельных электростанций, электроэнергия и пар, необходимые в способе, могут быть произведены значительно более эффективным образом, чем при использовании известных решений с котлом-утилизатором. Также, применяя решение согласно изобретению, можно избежать решений, использующих дорогостоящий газификатор, применение которых, по меньшей мере согласно текущему опыту, довольно затруднено.

Котел с псевдоожиженным слоем может представлять собой любой известный котел с псевдоожиженным слоем, в котором песок может быть нагрет и из которого песок может быть рециркулирован в реактор пиролиза. Реактор пиролиза может представлять собой любой подходящий реактор пиролиза, но применение горизонтальных вращающихся цилиндрических печей является предпочтительным, поскольку их эксплуатация и поведение хорошо известно и контролируемо. Реактор смешения может, в свою очередь, представлять собой любой подходящий реактор смешения, в который могут быть поданы твердое вещество из сепаратора и вода и из которого подходящим образом могут быть удалены раствор и твердое вещество. Также возможно использовать после реактора смешения отдельный сепаратор, с помощью которого раствор сода-вода отделяют от твердого вещества. Если необходимо, твердое вещество, которое представляет собой главным образом углерод, может быть высушено перед его подачей в котел с псевдоожиженным слоем.

Изобретение изложено выше в описании и чертежах лишь посредством примера и никоим образом не ограничено им, и объем охраны определен в соответствии с приложенной формулой изобретения. Таким образом, отдельные признаки различных действующих примеров могут быть также объединены и требуемым образом применены к другим вариантам осуществления.

1. Способ переработки черного щелока целлюлозного завода для извлечения заключенных в нем химикатов и энергии, отличающийся тем, что включает:подачу черного щелока в реактор пиролиза, имеющий по существу не содержащее кислорода пространство,подачу в реактор пиролиза песка, нагретого в котле с псевдоожиженным слоем, посредством которого черный щелок газифицируется и образует газообразные компоненты и твердое вещество,направление газообразных компонентов, образовавшихся в реакторе пиролиза, на утилизацию,отделение песка от твердого вещества, образовавшегося в реакторе пиролиза, и возвращение его в котел с псевдоожиженным слоем,добавление воды к оставшемуся твердому веществу, в которой растворяется сода, содержащаяся в твердом веществе,возвращение образовавшегося раствора сода-вода в процесс варки целлюлозы и возвращение оставшегося твердого угля в котел с псевдоожиженным слоем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразные компоненты и твердое вещество, образовавшиеся в реакторе пиролиза, направляют в сепаратор, чтобы отделить их друг от друга.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в реактор пиролиза подают инертный газ или смесь газов, с которыми смешивается черный щелок.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в реактор пиролиза подают инертный газ или смесь газов, с которыми смешивается черный щелок.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или смесь газов, направленный(ая) в реактор пиролиза, по меньшей мере частично образован(а) газами, полученными из реактора пиролиза, которые остаются неконденсированными после конденсации.

6. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или смесь газов, направленный(ая) в реактор пиролиза, по меньшей мере частично образован(а) диоксидом углерода или монооксидом углерода.

7. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или смесь газов, направленный(ая) в реактор пиролиза, по меньшей мере частично образован(а) азотом или оксидами азота.

8. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или смесь газов, направленный(ая) в реактор пиролиза, по меньшей мере частично образован(а) дымовыми газами.

9. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что температура в реакторе пиролиза составляет 200°С-900°С, предпочтительно 400°С-700°С.

10. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что песок подают в реактор пиролиза при температуре 200°С-900°С, предпочтительно 400°С-700°С.

11. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что реактор пиролиза также нагревают отдельным тепловым источником.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что реактор пиролиза нагревают внешним нагревом.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что реактор пиролиза нагревают путем его нагрева извне дымовыми газами из котла с псевдоожиженным слоем.

14. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве реактора пиролиза используют по существу горизонтальную цилиндрическую печь.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что цилиндрическая печь вращается в ходе пиролиза.

16. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве сепаратора используют циклон.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что в качестве сепаратора используют горизонтальную цилиндрическую печь, служащую реактором пиролиза.

18. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что газообразные компоненты, отделенные в сепараторе, конденсируются в конденсаторе, посредством чего получают масло, а неконденсированные газы направляют для повторного использования в других процессах, где необходимо топливо.

19. Установка для переработки черного щелока целлюлозного завода для извлечения заключенных в нем химикатов и энергии, отличающаяся тем, что она включает в себякотел с псевдоожиженным слоем,реактор пиролиза, в который подают черный щелок и где черный щелок подвергается пиролизу в по существу не содержащем кислорода пространстве и образует газообразные компоненты и твердое вещество,средство подачи песка, полученного из котла с псевдоожиженным слоем, в реактор пиролиза,средство направления газообразных компонентов, образовавшихся в реакторе пиролиза, на утилизацию,сепаратор для отделения песка от твердого вещества, образовавшегося в реакторе пиролиза,средство для возвращения отделенного песка в котел с псевдоожиженным слоем,реактор смешения для смешения отделенного твердого вещества с водой, так что сода, содержащаяся в твердом веществе, растворяется в воде,средство для возвращения раствора сода-вода в процесс варки целлюлозы и для возвращения оставшегося твердого угля в котел с псевдоожиженным слоем.

20. Установка по п.19, отличающаяся тем, что она включает в себя средство подачи инертного газа или смеси газов в реактор пиролиза.

21. Установка по п.20, отличающаяся тем, что она имеет отдельный тепловой источник для нагрева реактора пиролиза.

22. Установка по п.21, отличающаяся тем, что она имеет отдельный тепловой источник, установленный для нагрева реактора пиролиза извне.

23. Установка по п.22, отличающаяся тем, что дымовые газы котла с псевдоожиженным слоем используются в качестве отдельного теплового источника.

24. Установка по любому из пп.19-23, отличающаяся тем, что в качестве реактора пиролиза использована по существу горизонтальная цилиндрическая печь.

25. Установка по п.24, отличающаяся тем, что цилиндрическая печь установлена так, что она вращается вокруг своей продольной оси.

26. Установка по любому из пп.19-23, отличающаяся тем, что печь, служащая в качестве реактора пиролиза, использована в качестве средства отделения друг от друга газообразных компонентов и твердого вещества, образовавшихся в реакторе пиролиза.

27. Установка по любому из пп.19-23, отличающаяся тем, что сепаратор использован в качестве средства отделения друг от друга газообразных компонентов и твердого вещества, образовавшихся в реакторе пиролиза.

28. Установка по п.27, отличающаяся тем, что сепаратор представляет собой циклон.

29. Установка по любому из пп.19-23, отличающаяся тем, что она включает в себя конденсатор, в котором конденсируются газообразные компоненты, отделенные в сепараторе, посредством чего получают масло и неконденсированные газы; и средство их направления для повторного использования в других процессах, где необходимо топливо.

30. Установка по любому из пп.19-23, отличающаяся тем, что температура в реакторе пиролиза составляет 200°С-900°С, предпочтительно 400°С-700°С.

31. Установка по любому из пп.18-23, отличающаяся тем, что она включает в себя средство подачи песка в реактор пиролиза при температуре 200°С-900°С, предпочтительно 400°С-700°С.