СПОСОБ ЧАСТИЧНОГО СЖИГАНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ЩЕЛОКА Российский патент 1995 года по МПК F23G7/04 

Изобретение относится к способу частичного сжигания отработанных целлюлозных щелоков в целлюлозной промышленности в соединенной с реактором горелке, включающей смонтированный в центре распылитель или трубку для подвода жидкости с соплом на переднем конце, через которое подается жидкость, и расположенный коаксиально вокруг этой трубки трубчатый канал, по которому подается кислородсодержащий газ для частичного сжигания.

Известен способ сжигания отработанных жидких отходов, включающих соединения серы, при температуре 950-980^оС и коэффициенте расхода воздуха 1,06-1,09, причем кислородсодержащий газ подают с завихрением в количестве 0,15 кг/кг по каналу, коаксиально расположенному вокруг трубки для подачи отходов.

Недостатком известного способа является сложность процесса при высоком соотношении воздух/топливо.

Задачей предлагаемого изобретения является облегчение процесса частичного сжигания отработанного целлюлозного щелока за счет использования горелки, создающей стабильное самозагорающееся пламя при низком соотношении воздух/топливо.

В целлюлозной промышленности образуются отработанные щелоки, отличающиеся по составу в зависимости от способа делигнификации. При варке целлюлозы сульфатным способом отработанный щелок (черный щелок), содержит ценные химические соединения и энергию в виде горючих углеродистых соединений. В настоящее время эти химические соединения и энергия обычно утилизируются в котлах-утилизаторах, в которых осуществляется полное сжигание черного щелока.

При частичном сжигании черного щелока в реакторе-газификаторе, как в случае настоящего изобретения, образуется горячий газ, включающий Н₂, СО, СО₂ и капельки расплава неорганических соединений.

При отбеливании целлюлозы образуется разбавленный щелок, включающий органические соединения и соли натрия. При механической и полухимической обработке целлюлозы также образуются разбавленные щелоки различного состава. Эти, а также другие сточные воды и отработанные щелоки, образующиеся в целлюлозной промышленности, после концентрирования могут использоваться в качестве исходного сырья при осуществлении описываемого способа.

Хотя настоящее изобретение ниже описывается на примере использования в качестве исходного материала черного щелока, оно не ограничивается только этим частным случаем.

Ниже в качестве примера приведено использование в качестве топлива черного щелока, отличающегося сравнительно низкой теплотворной способностью и высоким содержанием воды и золы, а именно: Теплотворная способ- ность в расчете на су- хое вещество 13 гДж/т сухо-
го вещества (СВ) Элементарный со- став С₂₉Н₃₄О₂₀Na₉S₂ Содержание сухого вещества 65% Вязкость при 100^оС 100 сСт
Присутствие в черном щелоке соединений натрия и характерное для них высокое содержание кислорода делает черный щелок весьма реакционноспособным топливом. Это означает, что при наличии горелки соответствующей конструкции, несмотря на субстехиометричность сгорания, высокая степень конверсии углерода достигается уже в зоне пламени.

Вихревая горелка, описанная в настоящем изобретении, обеспечивает высокую эффективность сгорания и стабильность пламени при использовании черного щелока в качестве топлива в относительно небольшом реакционном объеме. Температура в реакторе превышает 700^оС, предпочтительно она равна примерно 900^оС. Расплавленные неорганические соединения, в основном карбонат и сульфид натрия, содержащиеся в технологическом газе, отделяются от него в соединенном с реактором растворителе при быстром охлаждении. Основными компонентами технологического газа являются монооксид углерода, диоксид углерода и водород. Объемное соотношение между монооксидом и диоксидом углерода в технологическом газе может варьироваться в пределах 0,8:1-1,8:1 и контролируется, например, путем добавления кислорода.

Характер потока газа перед горелкой в значительной мере определяется степенью завихрения, которую можно контролировать, например, с помощью соответствующего профиля для создания завихрений. Радиальная скорость потока кислородсодержащего газа, таким образом, в значительной степени зависит от его осевой скорости. Главный принцип вихревой горелки заключается в рециркуляции части газа через внутреннюю рециркуляционную зону к трубке для подачи жидкости. Эта внутренняя рециркуляционная зона облегчает сгорание и стабилизирует пламя, а рециркулирующий горячий газ сообщает дополнительную энергию для воспламенения расплавленного щелока. Внутренняя рециркуляционная зона, кроме того, играет роль аккумулятора тепла и реакционноспособных компонентов газа.

Смешению распыленного щелока с воздухом способствует турбулизирующая срезывающая поверхность между зоной рециркуляции и выходящим газом и каплями жидкости.

Кроме того, имеется внешняя рециркуляционная зона, оказывающая меньшее влияние на стабильность пламени. Ее форма в большой степени определяется геометрией реактора, а не горелки.

Степень распыления жидкости оказывает сильное влияние на стабильность пламени черного щелока, величину пламени и степень конверсии углерода. Степень распыления, которая может быть достигнута в данной горелке, сильно зависит от реологических характеристик черного щелока. Вязкость черного щелока можно изменять, например, путем нагрева и/или введения в него добавок. Обычно при осуществлении описываемого способа щелок нагревают до температуры выше 100^оС. Вязкость черного щелока в момент распыления предпочтительно должна быть ниже 200 сСт.

Распыление черного щелока можно усилить еще лучшим путем быстрой подачи щелока в реактор, когда щелок предварительно нагрет до температуры выше температуры кипения при рабочем давлении реактора.

Известны различные конструкции распылительных сопел, однако для распыления отработанных целлюлозных щелоков по предлагаемому способу в частности черного щелока, можно использовать лишь некоторые из них.

Наиболее подходящими для использования в горелке в соответствии с настоящим изобретением являются двухжидкостные сопла. Общей характерной особенностью этих сопел является довольно высокая скорость потока газа, что необходимо для подвода энергии для распыления. Другая важная особенность этих сопел состоит в том, что размер образующихся капель уменьшается с увеличением плотности распыляемого газа. Образование капель может происходить по различным механизмам, например за счет разрыва связей, комбинации и образования сфер капель щелока и высокой турбулентности распыленного щелока, и зависит от того, каким образом осуществляется смещение двух жидких фаз.

Предлагаемый способ эффективного субстехиометрического сжигания отработанных целлюлозных щелоков в горелке, соединенной с реактором, отличается тем, что по меньшей мере половину не входящего в состав топлива количества кислорода, необходимого для частичного сжигания в реакторе черного щелока, вводимого в него через горелку, подают в реактор в виде горячего кислородсодержащего газа, который вводят через трубчатый канал, коаксиально расположенный вокруг трубки для подачи отработанного целлюлозного щелока, причем весовое соотношение между количеством кислорода в кислородсодержащем газе, подаваемом в горелку, и количеством сухого вещества отработанного целлюлозного щелока находится в пределах (0,1-0,7):1, предпочтительно (0,15-0,5):1.

На фиг. 1 схематично изображена вихревая горелка с рециркуляционной зоной; на фиг. 2 - двухжидкостное сопло, осевой разрез; на фиг. 3 - то же, вид спереди; на фиг. 4 - двухжидкостное сопло, другой вариант выполнения; на фиг. 5 - то же, вид спереди.

Вихревая горелка 1 смонтирована в камере сжигания 2, а вихревой генератор 3 размещен в канале 4, по которому подается воздух. Сплошной линией на фиг. 1 показано пространственное распределение внутренней рециркуляции, штрихпунктирной обозначена внутренняя рециркуляционная зона, а пунктирной линией ограничена зона, в которой происходит рециркуляция потока (осевая линия нулевой скорости). Пунктирная линия в нижней части фиг. 1 ограничивает пределы внешней рециркуляции. Вихревой генератор 3 располагается за нижней частью трубки для подачи щелока. При такой конструкции, предназначенной для сжигания воздух, вводимый снаружи сопла, перед тем, как смешивается с распыленным щелоком и увлекает его, совершает вращательное движение вокруг трубки для подачи щелока. При правильном расположении вихревого генератора образуется пламя с тороидальным завихрением, что имеет существенное значение для стабильности пламени и протекания частичного сгорания.

На фиг. 2 и 3 показано двухжидкостное сопло, в котором щелок и газ смешиваются и под высоким давлением проходят через несколько симметрично расположенных круглых отверстий 5. Этими отверстиями оканчиваются так называемые У-струйные распылительные сопла, состоящие из двух трубок 6 и 7, первая из которых соединена с внешней трубкой 8 для подачи черного щелока, а вторая - с внутренней, концентрично расположенной кольцевой трубкой 9 для подачи распыляющего газа, например воздуха или пара. Отверстия 5 расходятся, благодаря чему создаются расходящиеся потоки распыленного щелока, выходящие из нижней части трубки для подачи щелока. Кожух, насаженный на корпус 10 трубки для подачи щелока, удерживает в фиксированном положении У-струйный распылитель 11. Корпус 10 включает концентрично расположенные кольцевые трубки 8 и 9. Черный щелок подают в горелку через входную трубку 12, а воздух - через другую входную трубку 13.

На фиг. 4 и 5 изображена горелка с тремя концентрично расположенными кольцевыми трубками 14, 15 и 16. Воздух подается через внешнюю и внутреннюю трубки 14 и 16, а белый щелок - через среднюю трубку 15. Воздух выходит через 18 симметрично расположенных отверстий 17 и 18, а белый щелок - через кольцевую щель 19. Отверстия 17 расположены наклонно в одном, а отверстия 18 - в противоположном направлениях. Черный щелок проходит через щель 19 и наталкивается на выступ 20, который отклоняет его внутрь. После этого черный щелок уже в виде пленки встречается с воздухом, проходящим через отверстия 19, и распыляется. Эта первоначальная смесь воздуха с черным щелоком смешивается с дополнительным количеством воздуха за выступом 20, создавая расходящиеся струи тонко диспергированного черного щелока. Черный щелок подается в горелку через входную трубку 12, а воздух - через две входные трубки 13.

Хотя изобретение описано на примере использования воздуха в качестве распылительного газа, однако оно не ограничивается только воздухом, поскольку для этой цели могут использоваться и другие газы, например пар, азот или обогащенный кислородом воздух.

Конструкция горелки в значительной степени зависит от весового соотношения между подаваемыми в нее воздухом и топливом.

Использующийся при осуществлении описываемого способа в качестве топлива черный щелок обладает необычными свойствами, и поэтому для обеспечения стабильного пламени горелка должна иметь соответствующую конструкцию.

Различные виды топлива содержат различные количества химически связанного кислорода. Битуминозный уголь обычно содержит 4-10% связанного кислорода. Жидкие топлива содержат менее 1% связанного кислорода.

В сухом веществе черного щелока содержится примерно 35 мас.% связанного кислорода. Это накладывает влияние на конструкцию горелок для сжигания черного щелока, так как для достижения нужной степени сжигания в горелку необходимо вводить лишь небольшое количество кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха.

Ниже приведены весовые соотношения между воздухом и топливом для некоторых видов топлива при стехиометрическом сжигании.

Воздух : топливо Антрацит 10-12 : 1 Этиловый спирт 9 : 1 Черный щелок 4-5 : 1 Дизельное топливо/ тяжелое дизельное топливо 13-15 : 1
Горелка для частичного сжигания черного щелока по предлагаемому способу сконструирована из расчета на соотношение воздух/топливо порядка 0,5-3:1, которое, таким образом, значительно ниже соответствующих соотношений при стехиометрическом, а также субстехиометрическом сжигании большинства других видов топлива. Поскольку воздух содержит примерно 23 мас.% кислорода, горелка для сжигания черного щелока сконструирована из расчета на соотношение между добавляемым кислородом и черным щелоком (в расчете на сухое вещество) в пределах (0,1-0,7): 1. Для компенсации такого низкого соотношения между воздухом и топливом и обеспечения приемлемой скорости газа воздух необходимо предварительно нагревать до температуры по меньшей мере 100^оС, предпочтительно 300^оС, и создавать его вихревое движение. Предварительный нагрев воздуха увеличивает его энергию в непосредственной близости от горелки, что еще больше способствует стабильности пламени. Большая часть кислорода, необходимого для частичного сжигания, поступает по каналу, расположенному коаксиально вокруг трубки для подачи щелока, который в свою очередь заканчивается в реакторе. Часть кислорода, необходимого для частичного сжигания, может вводиться в зону пламени через распылительное сопло. И, наконец, часть его может подаваться через воздушные затворы в верхней части реактора.

Изобретение относится к способу частичного сжигания отработанных целлюлозных щелоков с помощью горелки, соединенной с реактором, путем подачи кислородсодержащего газа при температуре в реакторе выше 700°С, причем по меньшей мере половину не входящего в состав топлива кислорода, необходимого для частичного сжигания в реакторе черного щелока, вводимого в него через горелку, подают в реактор в виде горячего кислородсодержащего газа по каналу, коаксиально расположенному вокруг трубки для подачи отработанного целлюлозного щелока, а весовое соотношение между количествами кислорода в кислородсодержащем газе и сухого вещества отработанного целлюлозного щелока находится в пределах (0,1 - 0,7) : 1. Кроме того, перед подачей кислородсодержащий газ нагревают до температуры выше 100°С. Вязкость щелока перед распылением снижают до величины менее 200 сСт. Щелок перед подачей в реактор нагревают до температуры выше температуры кипения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ ЧАСТИЧНОГО СЖИГАНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ЩЕЛОКА с использованием горелки, соединенной с реактором, при температуре выше 700^oС и подаче по меньшей мере половины не входящего в состав топлива кислородсодержащего газа по каналу, коаксиально расположенному вокруг трубки для подачи щелока, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ подают в количестве, обеспечивающем массовое соотношение между кислородом в кислородсодержащем газе и сухим веществом щелока в пределах (0,1-0,7):1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое соотношение кислорода в кислородсодержащем газе и сухого вещества щелока находится в пределах (0,15-0,5) : 1. 3. Способ по пп.1-2, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ предварительно нагревают до температуры выше 100^oС. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что вязкость отработанного целлюлозного щелока перед распылением снижают до величины менее 200 сСт. 5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что щелок перед подачей в реактор нагревают до температуры выше температуры кипения.