СПОСОБ ЧАСТИЧНОГО СЖИГАНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЩЕЛОКА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 1997 года по МПК D21C11/12 F23D11/10 

Настоящее изобретение относится к способу частичного сжигания отработанного щелока при производстве целлюлозы с использованием горелки, соединенной с реактором, и подачей кислородосодержащего газа в качестве окислителя.

В процессе производства целлюлозы образуются отработанные щелоки, состав которых различается в зависимости от используемого процесса делигнификации. При производстве сульфатной целлюлозы отработанный щелок, обычно называемый черным щелоком, содержит ценные химические продукты и горячие углеродистые энергоносители. В настоящее время эти химические продукты и энергия обычно регенерируются в регенеративном котлоагрегате, в котором черный щелок полностью сгорает.

При частичном сжигании черного щелока в газификационном реакторе, как в настоящем изобретении, образуется горючий газ, содержащий H₂, CO, CO₂ и капли расплавленных неорганических соединений.

При отбелке целлюлозы получается слабый щелок, состоящий из органических веществ и солей натрия. В процессах производства древесной массы и полуцеллюлозы также образуются различающиеся по составу слабые щелоки. Эти и другие отработанные щелоки, образующиеся в процессе производства целлюлозы, после концентрирования могут использоваться в качестве подаваемого материала в предлагаемом способе. Хотя данное описание изобретения относится к черному щелоку, его использование не ограничивается этим конкретным щелоком.

Степень распыления щелока имеет очень важное значение для стабилизации пламени черного щелока, распространения пламени и интенсификации окисления углерода. Реологические свойства черного щелока оказывают значительное влияние на степень распыления, которая может быть обеспечена данной форсункой. Изменение вязкости черного щелока может быть достигнуто, например, подогревом и/или добавкой присадок. При использовании в соответствии с настоящим изобретением черный щелок обычно подогревается до температуры выше 100^oC. Вязкость черного щелока в момент распыления по возможности должна быть ниже 200 сСт.

Распыление черного щелока может быть еще более интенсифицировано за счет мгновенного испарения щелока в реакторе, В этом случае щелок предварительно подогревается до температуры выше точки кипения при рабочем давлении в реакторе.

Известен способ по патенту US, N3163495, кл. 23 48, 1964, в котором описан способ сжигания отработанного щелока с использованием воздуха в таком его количестве, при котором в камере сжигания образуется восстановительная атмосфера. При этом неорганические вещества восстанавливаются, а органические сгорают, в результате чего образуется расплав, который удаляют из камеры. Полученный расплав поступает в окислительный реактор, в который подают газы, образованные в восстановительной камере, и дополнительно воздух для создания окислительных условий и поддерживают значительно более высокую температуру, чем в камере сжигания.

Недостатками известного способа является необходимость подачи через горелку большого количества воздуха и дополнительно топлива для того, чтобы обеспечить интенсивное сжигание щелока. При этом, как указано в патенте США, необходимо поддерживать достаточно высокую температуру, около 1065^oC в восстановительной камере, и около 1205^oC в окислительной камере.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в устранении этих недостатков. Достигается это тем, что по меньшей мере половину не являющегося частью топлива кислорода подают в реактор через распылительное сопло, при этом отношение массы подаваемого через горелку кислородсодержащего газа к массе подаваемого через горелку отработанного щелока составляет менее, чем 2 1. Способ позволяет осуществить стабильное и интенсивное горение отработанного щелока при повышенных давлениях с использованием значительно меньшего количества подаваемого через горелку воздуха или кислородсодержащего газа.

При этом изобретение предусматривает создание способа эффективного нестехиометрического сжигания отработанного щелока при производстве целлюлозы с использованием соединенной с реактором горелки и подачей кислородсодержащего газа.

Эффективность распыления отработанного щелока имеет особо важное значение и достигается в горелке путем непосредственного контакта отработанного щелока с кислородсодержащим газом при повышенном давлении в сконструированной специально для этой цели форсунке или в непосредственно прилегающей к ней области. Отработанный щелок, предварительно подогреваемый для понижения вязкости, подается в реактор через трубку. У выходного конца трубки щелок контактирует с распыляющим газом, в результате чего скорость потока щелока быстро увеличивается, что приводит к формированию расходящейся струи распыленного щелока.

Как было отмечено выше, отработанный щелок является специфическим топливом в смысле реакционной способности и золо- и влагосодержания. Сухой остаток отработанного щелока содержит большое количество связанного кислорода, так что количество кислорода, подаваемого с воздухом для обеспечения горения, может быть относительно небольшим, в особенности в случае частичного сжигания.

Количество кислорода, подаваемого в реактор, соответствует диапазону от 0,3 до 0,6 стехиометрического соотношения при полном сгорании отработанного щелока, при этом рекомендуемый диапазон находится в пределах от 0,35 до 0,5. Количество воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, подаваемое в реактор, относительно невелико по сравнению с количеством отработанного щелока, причем соответствующее массовое отношение меньше, чем 2 1, при использовании в качестве окислителя воздуха и меньше, чем 0,4 1, при использовании в качестве окислителя кислорода. Больше половины не входящего в состав топлива кислорода, необходимого для частичного сжигания отработанного щелока /предпочтительно более 80%/, подают в реактор в виде кислородсодержащего газа, который выходит вместе с щелоком через сопло. Скорость кислородсодержащего газа в сопле должна быть в пределах от 40 до 350 м/с.

В форсунке может быть предусмотрена круговая щель или круглое отверстие для выхода щелока, где щелок увлекается истекающим с высокой скоростью распыляющим кислородсодержащим газом и раздробляется на мельчайшие капельки, образуя расширяющуюся струю. При другой конструкции форсунки отработанный щелок истекает вместе с распыляющим газом через три или более симметрично расположенных отверстия.

На чертежах изображены две различные "двухпоточные" форсунки. На фиг. 1 изображен продольный осевой разрез "двухпоточной "форсунки, на фиг. 2 - фронтальный поперечный разрез форсунки по сечению А А на фиг. 1, на фиг. 3 - продольный осевой разрез второго варианта "двухпоточной" форсунки и на фиг. 4 фронтальный поперечный разрез форсунки по сечению Б Б на фиг. 3.

На фиг. 1 и 2 изображена двухпоточная форсунка, в которой щелок и газ смешиваются, а затем выбрасываются под большим давлением через несколько симметрично расположенных круглых отверстий 3. Эти отверстия являются окончаниями так называемых U-образных распыляющих сопл, состоящих из двух трубок 4 и 5. Трубка 4 соединена с внешней трубкой 6, по которой подают черный щелок, а трубка 5 с внутренней коаксиально расположенной кольцевой трубкой 7, по которой подают распыляющий газ. Отверстия 3 отклоняются от осевой линии, формируя расходящиеся струи, истекающие из нижней части 2 трубки 1. Наконечник 9, закрепленный на корпусе 10 трубки 1, удерживает головку 8 U- образной распыляющей форсунки. В корпусе 10 находятся коаксиально расположенные кольцевые трубки 6 и 7. Черный щелок подают в трубку 1 по впускной трубке 20, а воздух по впускной трубке 21.

На фиг. 3 и 4 показан ствол горелки, имеющей три коаксиально расположенные кольцевые трубки 11, 12 и 13. Воздух подают по внешней и внутренней трубкам 11 и 13, а черный щелок по промежуточной трубке 12. Поток воздуха разделяется с помощью 18 симметрично расположенных выпускных отверстий 14 и 15, а черный щелок выходит через кольцевой зазор 16. Отверстия 14 отклоняются от оси в одном направлении, а отверстия 15 в противоположном направлении. Черный щелок, пройдя через кольцевой зазор 16, встречает на своем пути козырек, который отклоняет поток щелока внутрь. Щелок в виде тонкой пленки попадает в поток воздуха, поступающего через отверстия 15, и подвергается распылению. Получающаяся первоначальная щелоковоздушная смесь подхватывается дополнительным воздухом с внешней стороны козырька 17, формируя расходящуюся струю тонкораспыленного щелока. Черный щелок подают в горелку по впускной трубке 20, а воздух по двум впускным трубкам 21.

При конструировании горелок большое внимание должно быть уделено обеспечению правильного соотношения между окислителем и топливом.

Различные топлива содержат разное количество химически связанного кислорода. Битуминозные угли содержат обычно от 4 до 10% связанного кислорода, а нефтяное топливо менее 1%
Сухой остаток черного щелока содержит по массе около 35% связанного кислорода в пересчете на сухое вещество. Этот факт обуславливает специфику конструкции горелок для сжигания черного щелока, поскольку для достижения желаемой степени выгорания необходимо значительно меньшее количество кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха.

Ниже приводится соотношение воздух/топливо /по массе/ для стехиометрического горения некоторых топлив:
Антрацит 10 12:1
Этиловый спирт 9:1
Черный щелок 4 5:1
Дизельное топливо /тяжелый мазут/ 13 15:1
Горелка, конструкция которой описана в настоящем изобретении, создает стабильное пламя в реакторе, работающем предпочтительно при избыточном давлении от 0,1 до 150 бар и в диапазоне температур от 700 до 1400^oC.

В зависимости от таких факторов, как температура, скорость потоков в горелке и состав щелока, сопло горелки, кроме термического воздействия, подвергается окислению и воздействию серы, что может отрицательно влиять на степень распыления. Поэтому сопло горелки следует охлаждать циркулирующей жидкостью.

В соответствии с изобретением в качестве окислителя предпочтительно использовать кислород или воздух, обогащенный кислородом. В этом случае весь или почти весь кислород, необходимый для частичного сжигания, подается через сопло для распыления отработанного щелока.

Часть кислородсодержащего газа может быть дополнительно введена в реактор через трубку, установленную с внешней стороны коаксиально трубке 1, или через один или несколько вентилей. Для компенсации влияния низких отношений воздух/топливо и достижения приемлемых скоростей газа весь кислородсодержащий газ следует предварительно подогреть как минимум до 100^oC, а лучше до 300^oC, а также придать ему вихревое движение, что может быть достигнуто, в частности, при прохождении газа через закручивающий лопаточный аппарат, установленный в коаксиальной трубке. При этом радиальная скорость потока кислородсодержащего газа заметно зависит от обеспечиваемой осевой скорости потока. Основной принцип вихревой горелки заключается в обеспечении рециркуляции части газов через внутреннюю зону рециркуляции обратно к амбразуре горелки. Эта внутренняя зона рециркуляции способствует горению и стабилизирует пламя, а горячие рециркулирующие газы дают дополнительную энергию для воспламенения струи щелока. Внутренняя зона рециркуляции служит также дополнительным источником тепла и реакционноспособных компонентов газа.

Использование: изобретение относится к способу частичного сжигания отработанного щелока при производстве целлюлозы. Сущность изобретения состоит в том, что способ частичного сжигания отработанного щелока при производстве целлюлозы включает подачу в реактор, работающий под давлением от 1,1 до 150,0 бар, щелока через горелку с трубкой и распылительным соплом и кислородсодержащего газа, необходимого для сжигания. По меньшей мере половину кислородсодержащего газа подают в реактор через распылительное сопло горелки. Поддерживают отношение массы кислородсодержащего газа, подаваемого через горелку, к массе отработанного щелока, подаваемого через горелку, меньше, чем 2 : 1. 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ частичного сжигания отработанного щелока при производстве целлюлозы, включающий подачу в реактор, работающий под давлением 1,1 15,0 бар, щелока через горелку с трубкой и распылительным соплом и кислородсодержащего газа, необходимого для сжигания, отличающийся тем, что по меньшей мере половину кислородсодержащего газа подают в реактор через распылительное сопло горелки и поддерживают отношение массы кислородсодержащего газа, подаваемого через горелку, к массе отработанного щелока, подаваемого через горелку, меньше 2 1. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение массы кислорода, подаваемого с кислородсодержащим газом, к массе отработанного щелока меньше 0,4 1,0. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что более 80% кислородсодержащего газа, необходимого для сжигания, подают через распылительное сопло. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа в основном используют кислород или воздух, обогащенный кислородом. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что скорость истечения газа и щелока из сопла составляет 40 350 м/с. 6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что отработанный щелок и кислородсодержащий газ выпускают из сопла, имеющего как минимум три симметрично расположенных отверстия. 7. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что отработанный щелок и кислородсодержащий газ выпускают из сопла, имеющего круговую щель или круглое отверстие. 8. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что температура отработанного щелока, подаваемого в реактор, выше температуры кипения отработанного щелока при рабочем давлении в реакторе.