СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЧЕРНОГО ЩЕЛОКА НА ДРЕВЕСНО-МАССНОМ ЗАВОДЕ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК D21C11/04 D21C11/12 

Предпосылки к созданию изобретения

Изобретение относится к способу обработки черного щелока на древесно-массном заводе для извлечения химических веществ и использования их тепловой энергии. Кроме того, изобретение относится к оборудованию для обработки черного щелока на древесно-массном заводе для извлечения химических веществ и использования их тепловой энергии.

В процессе приготовления древесной массы сырьевой древесный материал, например щепу, обрабатывают посредством варки в химическом растворе, содержащем среди прочих веществ щелок. После варки волокнистую древесную массу, отделенную от древесного материала, отделяют от варочного раствора, в котором остаются различные компоненты древесного материала, например лигнин, растворяющийся во время варки. Смесь химических веществ, отделенную после варки, т.е. черный щелок, выпаривают на испарительной установке для получения горючего материала, содержащего как можно меньше воды. Содержание сухого вещества в материале из последней фазы испарительной установки, который обычно вводят в котел для извлечения соды для сжигания, может составлять до 85%.

Обычно черный щелок сжигают в котле для извлечения соды, в результате чего получают тепло, посредством чего нагревают и испаряют воду для получения энергии, а расплавы солей и химические вещества, остающиеся после варки, извлекают. Это решение представлено, например, в Финских патентах № 82494 и 91290. Предпринимались попытки замены котла для извлечения соды, например, процессом газификации черного щелока, но на практике коммерчески конкурентоспособное решение не было достигнуто.

В международной заявке WO 2004/005610 представлено решение, согласно которому черный щелок подвергают пиролизу, а углеродистые остатки, образующиеся в процессе пиролиза, газифицируют. Однако этот процесс сложен на практике и для его осуществления требуется отдельное дорогостоящее газифицирующее оборудование.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа обработки черного щелока и оборудования для его осуществления, где котел для извлечения соды может быть исключен из всего процесса и где способ является простым и готовым к осуществлению в основном на существующем оборудовании древесно-массного завода.

Способ согласно изобретению отличается тем, что:

- черный щелок вводят в пиролизатор, действующий по существу без использования кислорода;

- в пиролизатор вводят оксид кальция из печи для обжига извести;

- отделяют друг от друга газообразные компоненты и твердое вещество, образующиеся в пиролизаторе;

- передают отделенные газообразные компоненты для их дальнейшего использования; и

- добавляют воду в отделенное твердое вещество, посредством чего образуют водный раствор гидроксида натрия, который повторно вводят в процесс приготовления древесной массы, а остаточное твердое вещество возвращают в печь для обжига извести.

Оборудование согласно изобретению отличается тем, что содержит:

- пиролизатор, в который вводят черный щелок и в котором черный щелок подвергают пиролизу по существу без использования кислорода, формируя газообразные компоненты и твердое вещество;

- средства для подачи оксида кальция из печи для обжига извести в пиролизатор;

- средства для отделения друг от друга газообразных компонентов и твердого вещества, образующихся в пиролизаторе;

- смесительный реактор, в котором отделенное твердое вещество смешивают с водой для получения водного раствора гидроксида натрия, который повторно вводят в процесс приготовления древесной массы, и твердого вещества; и

- средства для возврата упомянутого твердого вещества в печь для обжига извести.

Основная идея изобретения заключается в том, что черный щелок подвергают пиролизу путем подачи черного щелока и оксида кальция в один пиролизатор, в котором черный щелок нагревают до соответствующей температуры по существу без кислорода таким образом, чтобы испаряемые вещества, содержащиеся в черном щелоке, перешли в газообразное состояние. Кроме того, основная идея изобретения заключается в том, что газообразные компоненты отделяют от твердого вещества и подают для использования, например, для получения электроэнергии, а твердое вещество смешивают с водой, посредством чего образуют гидроксид натрия в виде раствора и углерод, и карбонат кальция в твердом виде, которые повторно используют.

Еще одна основная идея изобретения заключается в том, что оксид кальция для осуществления процесса пиролиза получают, используя стандартную печь для обжига извести, например, печь для повторного обжига известкового шлама, колосниковую печь или другую пригодную печь, имеющуюся на древесно-массном заводе, и, соответственно, углерод и карбонат кальция могут быть возвращены в ту же самую печь. Согласно варианту осуществления изобретения в пиролизатор вводят инертный газ или газовую смесь. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения газообразные компоненты, образующиеся в пиролизаторе, передают для дополнительной обработки, например очистки и/или конденсации. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения оксид кальция подают в пиролизатор в таком горячем состоянии, что с его помощью нагревают черный щелок до температуры, требующейся для осуществления процесса пиролиза.

Способ согласно изобретению обладает преимуществом, заключающемся в том, что при одной проводке химических веществ возвращают тепловую энергию и извлекают химические вещества, а пиролизное масло, отделенное от газообразных компонентов посредством конденсации, можно использовать в качестве заменителя ископаемого топлива или, если это желательно, его можно дополнительно перерабатывать таким образом, чтобы оно служило топливом для транспортных средств. Дополнительным преимуществом является то, что, так как пиролиз является быстро протекающим процессом, образование газа доводят до максимума. Кроме того, так как температура, при которой происходит пиролиз, является низкой, то исключаются проблемы, связанные с коррозией и загрязнением, имеющими место при использовании обычных котлов для извлечения соды.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

на фиг. 1 - схематический вид аппарата для осуществления способа согласно изобретению;

на фиг. 2 - схематический вид другого аппарата для осуществления способа согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 схематически изображено оборудование, пригодное для осуществления способа согласно изобретению. Оно содержит: печь 1 для обжига извести, которая обычно может быть печью для повторного обжига известкового шлама или другой пригодной печью, в которой обжигают известь до оксида кальция. В печь для обжига извести вводят карбонат кальция, который превращается в оксид кальция в печи для обжига извести. Кроме того, в печь для обжига извести можно подавать углерод, который сгорает, превращаясь в диоксид углерода. Тепло, требующееся для обжига извести, в основном получают благодаря сжиганию углерода, но в печь для обжига извести можно дополнительно подавать некоторые известные вещества 2: твердые вещества, жидкое или газообразное вспомогательное топливо, например нефтепродукты, газ или подобные вещества. Из печи для обжига извести топочные газы 3, образующиеся в ней, подают по существу известным способом для очистки и (не обязательно) для возврата тепла.

Из печи для обжига извести оксид кальция, образующийся в ней и обычно имеющий температуру от 200°C до 1000°C, подают в пиролизатор 4, в который также вводят черный щелок 5 и псевдоожиженную среду 6. Пиролизатор 4 может быть любым соответствующим реактором, например печью с псевдоожиженным слоем или подобным устройством.

Псевдоожиженый газ 6 является инертным газом или газовой смесью. Для этой цели можно использовать исключительно инертные газы, но значительно более экономически эффективно использовать, например, несконденсировавшиеся газы, о которых сказано ниже, или газы, содержащие прореагировавшие газы или газовые смеси, например моноксид углерода, диоксид углерода, азот, оксиды азота или пар. Кроме того, в качестве псевдоожиженного газа можно даже использовать топочные газы, из которых удалены твердые вещества, например топочные газы из печи для обжига извести.

В пиролизаторе 4 температура составляет от около 200°C до 1000°C, предпочтительно - от 400°C до 600°C. При подаче в пиролизатор 4 горячего оксида кальция при температуре от 200°C до 1000°C с его помощью нагревают черный щелок. Кроме того, при взаимодействии оксида кальция с водой, которую подают в пиролизатор, например, вместе с черным щелоком, генерируется больше тепла. В этом случае из материала, содержащегося в черном щелоке, в пиролизаторе получаются газообразные компоненты, которые вместе с твердым веществом подают в сепаратор 7, который может быть, например, обычным циклонным сепаратором. В сепараторе 7 твердые частицы отделяются от газообразных компонентов 7a, которые подают для дополнительной обработки или для использования как таковые, в газообразном состоянии, например, для изготовления топлива для транспортных средств или для использования в качестве вспомогательного топлива в печи для обжига извести. Альтернативно газы можно подавать в конденсатор 8. В конденсаторе из конденсирующихся газов получается масло 9, которое подают для использования в качестве топлива, например для производства электрической энергии, или его можно дополнительно перерабатывать таким образом, чтобы оно служило, например, топливом для транспортных средств. Это масло можно также использовать в качестве вспомогательного топлива в печи для обжига извести. Несконденсировавшиеся газы 10, в свою очередь, направляют далее либо для производства электрической энергии, либо для использования другим образом, и, по меньшей мере, часть из них можно повторно использовать в печи для обжига извести в качестве вспомогательного топлива или псевдоожиженного газа 6.

Отделенные твердые частицы подают в смесительный реактор 11, в который также подают воду 12. Вода и твердые частицы взаимодействуют друг с другом, в результате чего происходит следующая реакция:

C+Na₂CO₃+CaO+H₂O->C+2NaOH+CaCO₃ (1)

Из этого материала гидроксид натрия (NaOH) в жидком виде и другие материалы в жидком виде отделяют от твердых частиц и подают обратно в процесс варки целлюлозы. Соответственно, карбонат кальция (CaCO₃) и углерод (C) подают обратно в печь для обжига извести, где карбонат кальция сжигают до оксида кальция, а углерод сжигают до диоксида углерода и в некоторой степени до моноксида углерода.

На фиг. 2 схематически изображен второй вид оборудования, применимого для осуществления способа согласно изобретению. Компоненты оборудования, соответствующие компонентам, представленным на фиг. 1, обозначены теми же номерами позиций, что и на фиг. 1, и они здесь не пояснены отдельно, за исключением случаев, когда это необходимо для понимания предмета, о котором идет речь. Решение, представленное на фиг. 2, отличается от решения, представленного на фиг. 1, тем, что используемая печь для обжига извести является колосниковой печью, в данном примере - печью с вращаемой колосниковой решеткой, а пиролизатор является вращаемой печью, которую нагревают с внешней стороны.

Печь для обжига извести является так называемой вращаемой колосниковой печью, в которую подают (в центр печи) карбонат кальция из смесительного реактора 11 и углерод. Печь этого вида очень подходит для сжигания влажного материала, например карбоната кальция, отделенного от воды и углерода (что используется на практике). Если необходимо, этот материал может быть дополнительно просушен отдельно в отдельной сушилке 14, расположенной между смесительным реактором 11 и печью 1 для обжига извести.

В этом случае пиролизатор 4 представляет собой трубообразную печь 4a, расположенную в основном горизонтально, которую можно также вращать относительно ее продольной оси. Черный щелок и оксид кальция предпочтительно вводят в слегка наклоненную трубообразную печь, в верхний ее конец, т.е. во впускной конец, и соответственно твердый материал выгружают из нижнего конца трубообразной печи, т.е. из выпускного конца, в смесительный реактор 11. Внутри печи может быть также расположен продольный смеситель или подающий шнек, с помощью которого можно продвигать твердое вещество с соответствующей скоростью вдоль печи. Газообразные компоненты, образующиеся в пиролизаторе 4, выводят из верхнего конца трубообразной печи 4a и подают для дополнительного использования или для обработки, как это описано со ссылкой на фиг. 1. В этом варианте осуществления не требуется специальный сепаратор для отделения твердых частиц и газов друг от друга, так как печь, действующая как пиролизатор 4, в то же время действует как средство для их разделения.

Топочные газы из печи 1 для обжига извести подают через отдельный канал 15 для нагрева пиролизатора 4. Вокруг трубообразной печи наиболее предпочтительно создать термоизоляционную систему каналов или пространство, через которые топочные газы из печи 1 для обжига извести проходят так, что топочные газы входят в пиролизатор 4 через выпускной конец трубообразной печи 4a и проходят затем вперед к впускному концу печи 4a, откуда топочные газы затем удаляют для обработки требуемым образом. Таким образом, в пиролизаторе имеет место противоточный нагрев, посредством чего черный щелок, подлежащий пиролизу, непрерывно нагревают при пропуске его через печь к выпускному концу. В канале 15 для топочного газа предпочтительно обеспечен, по меньшей мере, один выпускной канал 15a, около пиролизатора или в другом подходящем месте, для удаления и подачи оксида кальция и другого твердого вещества, выделяющего, например, топочные газы в пиролизаторе.

Вместо нагрева, осуществляемого с помощью топочных газов из печи для обжига извести, или дополнительно к этому пиролизатор можно нагревать с помощью горелок, в которых используют жидкое или газообразное топливо, путем подачи их горячих газообразных продуктов сгорания для нагрева пиролизатора.

При использовании отдельного внешнего нагрева пиролизатора температура оксида кальция, подлежащего подаче в него, может быть ниже, так как не требуется, чтобы оксид кальция мог нагревать черный щелок до температуры пиролиза, для этого имеется дополнительный нагрев. Таким образом, при подаче температура оксида кальция может составлять точно 200°C или более.

В случае если температура имеет тенденцию к чрезмерному повышению при работе пиролизатора 4 или если топочные газы выходят слишком горячими, то топочные газы можно охлаждать до их подачи для нагрева пиролизатора 4 с помощью по существу известных охлаждающих средств, например поверхностей теплоотдачи 16, в которых используют тепло топочных газов и используют где-либо еще в процессе.

Вместо нагрева топочными газами можно также использовать некоторые другие способы нагрева, с помощью которых температуру пиролизатора 4 можно доводить до температуры, пригодной для пиролиза, предпочтительно - от около 400°C до 600°C.

При использовании горизонтальной печи в качестве пиролизатора 4 не требуется отдельный псевдоожиженный газ.

Таким образом, для осуществления способа согласно изобретению не требуется обычный котел для извлечения соды, но извлечение химических веществ, имеющихся в черном щелоке, может быть осуществлено в основном посредством использования пиролизатора, размеры которого и инвестиционные расходы на который составляют только часть от размеров и инвестиционных расходов на котел для извлечения соды. Аналогичным образом, производственные расходы на пиролизатор относительно меньше производственных расходов на котел для извлечения соды. Кроме того, газ, образующийся в пиролизаторе, можно использовать или дополнительно перерабатывать для использования в качестве топлива для газовых турбин или дизельных электростанций и можно вырабатывать электрическую энергию и пар, требующиеся для осуществления процесса, значительно более эффективным способом, чем при использовании обычного котла для извлечения соды. Также, при использовании способа согласно изобретению можно исключить применение дорогостоящих газогенераторов, эксплуатация которых, по меньшей мере, до настоящего времени была достаточно сложной.

Используемая печь для обжига извести может быть любой печью, известной по существу, в которой известь можно сжигать от карбоната кальция до оксида кальция. Благоприятно, однако, использовать существующую печь для повторного обжига известкового шлама или колосниковую печь, известные по существу. Пиролизатором может быть любой реактор, пригодный для данной цели, но использование горизонтальных вращаемых цилиндрических печей предпочтительно, так как их работа и технические характеристики хорошо известны и хорошо управляемы. Смесительный реактор, в свою очередь, может быть любым пригодным смесительным реактором, в который можно подавать твердое вещество из сепаратора и воду, и из которого можно выводить раствор и твердое вещество соответствующим образом. После смесительного реактора также можно использовать отдельный сепаратор, с помощью которого можно отделять воду от твердого вещества. Если необходимо, то твердое вещество можно высушивать до подачи его в печь для обжига извести.

Изобретение описано выше и проиллюстрировано на чертежах только в виде примера и ни коем образом не ограничено этим описанием и чертежами, а объем изобретения определен прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, отдельные особенности различных приведенных в качестве примеров вариантов осуществления могут быть также использованы требуемым образом в других вариантах осуществления.

Изобретение относится к способу обработки черного щелока на древесно-массном заводе для извлечения химических веществ и использования их тепловой энергии и к оборудованию для его осуществления. Согласно изобретению черный щелок подвергают пиролизу в пиролизаторе (4), образующиеся газообразные компоненты направляют далее для использования, а твердые частицы смешивают с водой, при этом твердые частицы возвращают в печь (1) для обжига извести, а жидкость, содержащую гидроксид натрия, возвращают в процесс варки целлюлозы. Изобретение позволяет при одной проводке химических веществ возвращать тепловую энергию и извлекать химические вещества, использовать получившееся пиролизное масло, а также исключить проблемы, связанные с коррозией и загрязнением, имеющими место при использование обычных котлов для извлечения соды. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки черного щелока на древесно-массном заводе для извлечения химических веществ и использования их тепловой энергии, заключающийся в том, что
в реактор вводят черный щелок,
в реактор вводят оксид кальция из печи для обжига извести,
отделяют друг от друга газообразные компоненты и твердое вещество, образующиеся в реакторе,
подают отделенные газообразные компоненты для их дальнейшего использования, и
добавляют воду в отделенное твердое вещество, посредством чего образуют водный раствор гидроксида натрия, который повторно вводят в процесс приготовления древесной массы, а остаточное твердое вещество возвращают в печь для обжига извести, отличающийся тем, что
в качестве реактора используют пиролизатор, в котором обеспечивают, по существу, отсутствие кислорода, и нагревают реактор и черный щелок, используя тепло, сообщаемое пиролизатору оксидом кальция, подаваемым из печи для обжига извести, и тепло, генерируемое в реакторе в результате происходящих в нем химических взаимодействий,
в пиролизатор вводят оксид кальция при температуре от 200°С до 1000°С, предпочтительно от 400°С до 600°С, и
пиролизатор нагревают, используя отдельный источник тепла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразные компоненты и твердые частицы, образующиеся в пиролизаторе, подают в сепаратор для отделения их друг от друга.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пиролизатор подают инертный газ или газовую смесь, с которыми смешивают черный щелок.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в пиролизатор подают инертный газ или газовую смесь, с которыми смешивают черный щелок.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или газовая смесь, подлежащие подаче в пиролизатор, по меньшей мере, частично состоят из остаточных газов, не сконденсировавшихся при конденсации газов, полученных из пиролизатора.

6. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или газовая смесь, подлежащие подаче в пиролизатор, по меньшей мере, частично состоят из диоксида углерода или моноксида углерода.

7. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или газовая смесь, подлежащие подаче в пиролизатор, по меньшей мере, частично состоят из азота или оксидов азота.

8. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что газ или газовая смесь, подлежащие подаче в пиролизатор, по меньшей мере, частично состоят из топочных газов.

9. Способ по любому одному из пп.1-4, отличающийся тем, что температура в пиролизаторе составляет от 200°С до 1000°С, предпочтительно от 400°С до 600°С.

10. Способ по любому одному из пп.1-4, отличающийся тем, что пиролизатор нагревают, сообщая ему тепло с внешней стороны.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что пиролизатор нагревают, сообщая ему тепло с внешней стороны, используя топочные газы из печи для обжига извести.

12. Способ по любому одному из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве пиролизатора используют, по существу, горизонтально расположенную цилиндрическую печь.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что цилиндрическую печь во время пиролиза вращают.

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

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что горизонтальную цилиндрическую печь, действующую как пиролизатор, используют в качестве сепаратора.

16. Способ по любому одному из пп.1-4, отличающийся тем, что печь для повторного обжига известкового шлама используют в качестве печи для обжига извести.

17. Способ по любому одному из пп.1-4, отличающийся тем, что колосниковую печь используют в качестве печи для обжига извести.

18. Способ по любому одному из пп.1-4, отличающийся тем, что газообразные компоненты, отделенные от сепаратора, конденсируют в конденсаторе, продуктом является масло, а газы, несконденсировавшиеся в конденсаторе, передают для повторного использования в печь для обжига извести или в другие процессы, где требуется топливо.

19. Оборудование для обработки черного щелока на древесно-массном заводе для извлечения химических веществ и использования их тепловой энергии, содержащее,
реактор, в который вводят черный щелок для образования газообразных компонентов и твердого вещества,
средства для введения в реактор оксида кальция из печи для обжига извести,
средства оборудования для отделения друг от друга газообразных компонентов и твердого вещества, образующихся в реакторе,
смесительный реактор, в котором отделенное твердое вещество смешивают с водой для получения водного раствора гидроксида натрия, который повторно вводят в процесс приготовления древесной массы, и твердого вещества, и
средства для возврата упомянутого твердого вещества в печь для обжига извести,
отличающееся тем, что
реактор является пиролизатором, в котором обеспечивают, по существу, отсутствие кислорода и в котором черный щелок подвергают пиролизу,
реактор и черный щелок нагревают, используя тепло, сообщаемое пиролизатору оксидом кальция, подаваемым из печи для обжига извести, и тепло, генерируемое в пиролизаторе в результате происходящих в нем химических взаимодействий,
оборудование содержит отдельный источник тепла для нагрева пиролизатора, и
средства для подачи оксида кальция в пиролизатор при температуре от 200°С до 1000°С, предпочтительно от 400°С до 600°С.

20. Оборудование по п.19, отличающееся тем, что оно содержит средства для подачи инертного газа или газовой смеси в пиролизатор.

21. Оборудование по п.19, отличающееся тем, что оно содержит отдельный источник тепла, установленный для нагрева пиролизатора с внешней стороны.

22. Оборудование по п.20, отличающееся тем, что оно содержит отдельный источник тепла, установленный для нагрева пиролизатора с внешней стороны.

23. Оборудование по п.21 или 22, отличающееся тем, что топочные газы из печи для обжига извести используют в качестве отдельного источника тепла.

24. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что в качестве пиролизатора используют, по существу, горизонтально расположенную цилиндрическую печь.

25. Оборудование по п.24, отличающееся тем, что цилиндрическая печь установлена с возможностью вращения относительно ее продольной оси.

26. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что печь, действующая как пиролизатор, представляет собой средство для отделения друг от друга газообразных компонентов и твердых частиц, образующихся в пиролизаторе.

27. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что средство для отделения друг от друга газообразных компонентов и твердых частиц, образующихся в пиролизаторе, представляет собой сепаратор.

28. Оборудование по п.25, отличающееся тем, что сепаратор представляет собой циклон.

29. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что печь для обжига извести представляет собой печь для повторного обжига известкового шлама.

30. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что печь для обжига извести представляет собой колосниковую печь.

31. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что оно содержит конденсатор, в котором конденсируются газообразные компоненты, отделенные в сепараторе, при этом продуктами являются масло и несконденсировавшиеся газы, и средства для их подачи для повторного использования в печь для обжига извести или в другие процессы, где требуется топливо.

32. Оборудование по любому одному из пп.19-22, отличающееся тем, что температура в пиролизаторе составляет от 200°С до 1000°С, предпочтительно от 400°С до 600°С.