Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЧЕРНОГО ЩЕЛОКА ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Предпосылки изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к способу обработки черного щелока целлюлозного производства для регенерации содержащихся в нем химических реагентов и энергии. Изобретение дополнительно относится к устройству для обработки черного щелока целлюлозного производства для регенерации содержащихся в нем химических реагентов и энергии.

[0002] В процессе варки целлюлозы древесный материал, в основном древесную щепу, обрабатывают с использованием тепла и химических реагентов путем варки его в химическом растворе, содержащем, помимо всего прочего, щелок. Это называется варкой целлюлозы. Цель обработки состоит в удалении лигнина, связывающего волокна. При натронной варке варочным химическим реагентом является именно гидроксид натрия (NaOH). После варки волокна, высвобожденные из древесного материала, то есть волокнистую массу, отделяют от варочного химического реагента, в котором во время варки остаются разнообразные связующие компоненты древесного материала, такие как лигнин, и неорганическое вещество. Химическую смесь, отделенную после варки, то есть черный щелок, упаривают в испарительной установке, чтобы удалить воду и получить горючий материал, который содержит настолько мало воды, насколько возможно. Этот материал, полученный на конечной стадии испарительной установки и направленный на сжигание, может иметь содержание сухого твердого вещества до 85%.

[0003] Традиционно черный щелок сжигают в котле-утилизаторе, в результате чего получают пар, и с использованием пара производят электроэнергию для использования в качестве энергии на предприятии и, необязательно, для продажи. Неорганическую часть черного щелока, остающуюся после сжигания, удаляют из котла-утилизатора в виде расплавленной соли, которую регенерируют для получения варочных химических реагентов. Это раскрыто, например, в финских патентах 82494 и 91290.

[0004] Предпринимались попытки заменить котел-утилизатор, например, газификацией черного щелока, но на практике это еще не привело к реализуемому в промышленном масштабе техническому решению.

[0005] Патентная публикация WO 2104/005610 представляет решение, в котором черный щелок подвергают пиролизу, и полученный при пиролизе кокс подвергают газификации. Однако этот способ на практике оказался громоздким, и для него требуется отдельная дорогостоящая установка для газификации.

Краткое описание изобретения

[0006] Цель настоящего изобретения состоит в представлении способа и устройства для обработки черного щелока, с помощью которых из всего процесса в целом можно устранить котел-утилизатор и которые являются простыми и удобными для реализации главным образом в существующем оборудовании целлюлозного производства.

[0007] Способ согласно изобретению отличается стадиями, в которых

- вводят черный щелок в пиролитический реактор, включающий по существу не содержащую кислород камеру,

- подают в пиролитический реактор каустифицирующий материал, который состоит из оксида натрия (Na₂O) и оксида металла (M_xO_y) и который нагрет в топочном устройстве, в результате чего черный щелок подвергается газификации и образует газообразные компоненты и остаточное твердое вещество,

- направляют газообразные компоненты, образовавшиеся в пиролитическом реакторе, на дальнейшую утилизацию,

- транспортируют твердое вещество, образовавшееся в пиролитическом реакторе, в топочное устройство, где содержащееся в нем горючее вещество выгорает посредством кислорода, содержащегося в воздухе, подводимом в топочное устройство, и остается каустифицирующий материал, состоящий из оксида натрия (Na₂O) и оксида металла (M_xO_y),

- возвращают часть каустифицирующего материала, образовавшегося в топочном устройстве, в пиролитический реактор, и транспортируют часть в растворительный бак, где к нему добавляют воду, в результате чего образуются гидроксид натрия (NaOH) и оксид металла (M_xO_y),

- возвращают образовавшийся гидроксид натрия (NaOH) обратно в процесс варки целлюлозы и по меньшей мере основную часть оставшегося оксида металла (M_xO_y) в топочное устройство, где он формирует каустифицирующий материал с оксидом натрия (Na₂O).

[0008] Устройство согласно изобретению отличается тем, что включает

- топочное устройство,

- пиролитический реактор, в который подают черный щелок и где черный щелок подвергается пиролизу в камере, по существу не содержащей кислород, и образует газообразные компоненты и твердое вещество,

- устройство для направления газообразных компонентов, образовавшихся в пиролитическом реакторе, на утилизацию,

- устройство для транспортирования твердых веществ, образовавшихся в пиролитическом реакторе, в топочное устройство, где горючий материал сгорает с образованием топочных газов и формируется каустифицирующий материал, состоящий из оксида натрия (Na₂O) и оксида металла (M_xO_y),

- устройство для подачи части каустифицирующего материала, нагретого в топочном устройстве, в пиролитический реактор и подачи части в растворительный реактор, в результате чего образуются гидроксид натрия (NaOH) и оксид металла (M_xO_y), и

- устройство для транспортирования гидроксида натрия (NaOH) обратно в процесс варки целлюлозы и по меньшей мере основной части оставшегося оксида металла (M_xO_y) в топочное устройство, где он формирует каустифицирующий материал с оксидом натрия (Na₂O).

[0009] Основополагающая идея изобретения заключается в том, что черный щелок подвергают пиролизу путем подачи черного щелока и твердого каустифицирующего материала, который содержит оксид металла и нагрет в топочном устройстве, предпочтительно в паровом котле с псевдоожиженным слоем или в паровом котле с циркулирующим кипящим слоем, с черным щелоком в один и тот же пиролитический реактор. В пиролитическом реакторе черный щелок нагревается до надлежащей температуры в камере, по существу не содержащей кислород, с использованием теплоты в каустифицирующем материале так, что летучие вещества в черном щелоке переходят в газообразное состояние. При необходимости пиролитический реактор может быть подвергнут нагреванию или охлаждению, чтобы удерживать температуру в желательном диапазоне. Кроме того, основополагающая идея изобретения состоит в том, что газообразные компоненты отделяют от твердых веществ и направляют на утилизацию, например для производства электроэнергии, и твердые вещества в свою очередь транспортируют обратно в топочное устройство, где углерод и карбонат натрия будут выгорать с образованием диоксида углерода и каустифицирующего материала, то есть соединения оксида натрия и оксида металла, в то же время с нагреванием каустифицирующего материала до желательной температуры. Еще одна дополнительная основополагающая идея изобретения заключается в том, что часть каустифицирующего материала, образованного в топочном устройстве, возвращают в пиролитический реактор и часть транспортируют для растворения путем смешения с водой, тем самым образуя гидроксид натрия, который возвращают в процесс варки целлюлозы, и оксид металла, который возвращают в топочное устройство, где он связывается с оксидом натрия и тем самым формирует каустифицирующий материал.

[0010] Способ согласно изобретению имеет то преимущество, что один химический цикл позволяет регенерировать энергию и химические реагенты. В дополнение, газообразные компоненты или пиролизное масло, отделенное от них конденсацией, могут быть использованы в качестве замены ископаемого топлива или, при необходимости, они могут быть дополнительно очищены для получения моторного топлива. Дополнительное преимущество состоит в том, что пиролиз является быстрым, с доведенным до максимума образованием газов. Более того, поскольку температура при пиролизе является более низкой, чем температура в котле-утилизаторе, избегают проблем с коррозией и засорением общеупотребительных котлов-утилизаторов.

Краткое описание фигур

[0011] Изобретение будет описано более подробно с привлечением сопроводительных чертежей, на которых:

Фиг.1 схематически показывает устройство для исполнения способа согласно изобретению;

Фиг.2 схематически показывает второе устройство для исполнения способа согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

[0012] Фиг.1 показывает пиролитический реактор 1, в который подают черный щелок 2. В пиролитический реактор 1 также подводят горячий каустифицирующий материал 3, который содержит соединение оксида натрия (Na₂O) и оксида металла, здесь в качестве примера оксида железа (Fe₂O₃). Каустифицирующий материал нагревает черный щелок, который подвергается газификации в камере, по существу не содержащей кислород, с образованием газообразного продукта и остаточного твердого вещества.

[0013] Газообразный продукт 4, образовавшийся в пиролитическом реакторе, направляют для дальнейшей обработки и для другого применения. Твердый материал 5, который образуется в пиролитическом реакторе 1 и который содержит оксид металла, в этом примере оксид железа (Fe₂O₃), и карбонат натрия (Na₂CO₃), и углерод (С), транспортируют для сожжения в топочное устройство 6, предпочтительно паровой котел с псевдоожиженным слоем или паровой котел с циркулирующим кипящим слоем.

[0014] Горючий материал, полученный при пиролизе, то есть углерод и сода, при сожжении в топочном устройстве 6 сгорает с образованием диоксида углерода (СО₂) и твердого соединения (Na₂O·Fe₂O₃) из оксида натрия (Na₂O) и оксида металла, в этом примере оксида железа (Fe₂O₃), каковое соединение составляет каустифицирующий материал. Этот каустифицирующий материал транспортируют частично обратно в пиролитический реактор 1, но часть его преимущественно транспортируют через теплообменник 7 в растворительный бак 8. Теплообменник 7 нагревает питательную воду 9 для пара, необходимого в производстве электроэнергии, перед ее полным испарением в парогенераторе 10, который разъясняется позже. При необходимости теплообменник также может быть опущен и часть материала может быть направлена непосредственно в растворительный бак 8. Вместо одного оксида металла также возможно применение смеси двух или более оксидов металлов.

[0015] В растворительном баке 8 оксид натрия (Na₂O) в твердом соединении (Na₂O·Fe₂O₃) образует с водой гидроксид натрия (NaOH), и там будет оставаться твердый оксид металла, в этом примере оксид железа (Fe₂O₃), который после промывания 11 и высушивания 12 транспортируют обратно в топочное устройство 6. Гидроксид натрия (NaOH) в свою очередь после растворения 8 направляют через фильтрационное устройство 14 обратно в процесс 15 варки.

[0016] Топочные газы 16, которые содержат диоксид углерода (СО₂) и которые образовались в топочном устройстве 6, направляют в парогенератор 10, в который из теплообменника 7 подводят нагретую питательную воду 9 для испарения. Из парогенератора 10 образовавшийся пар 17 отправляют, например, для производства электроэнергии или в другое надлежащее место в процессе. Парогенератор как таковой не является необходимым для изобретения, и, если это желательно, от него можно отказаться.

[0017] Топочные газы из парогенератора 10 направляют во второй теплообменник 18, в который подают воздух 19 для поддержания горения, который подводят в топочное устройство 6. Воздух для поддержания горения нагревают во втором теплообменнике 18 и направляют в топочное устройство 6. Из второго теплообменника 18 топочные газы 16 дополнительно отправляют предпочтительно в фильтр 20, где от него отделяют золу 21, и далее топочные газы направляют в дымовую трубу или подвергают обработке иным путем. Второй теплообменник как таковой тоже не является необходимым для изобретения и, если это желательно, он также может быть опущен.

[0018] В дополнение к оксиду железа, соответствующим образом могут себя вести и реагировать также многие другие оксиды металлов, так что оксид железа может быть заменен в формуле любым подходящим оксидом металла. Сюда входят, помимо всего прочего, диоксид титана (TiO₂) или оксид марганца (Mn₂O₃).

[0019] При применении оксида железа реакции прямой каустификации протекают в процессе следующим образом:

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ → Na₂O·Fe₂O₃ + CO₂ (1)

Na₂O·Fe₂O₃ + H₂O → 2NaOH + Fe₂O₃ (2)

В более общем представлении формулы принимают вид:

bNa₂O·cM_xO_y + aNa₂CO₃ → (a+b)Na₂O·cM_xO_y + aCO₂ (3)

(a+b)Na₂O·cM_xO_y + H₂O → 2aNaOH + bNa₂O·cM_xO_y (4)

где M_xO_y представляет оксид металла.

[0020] Реакция (1) начинается в пиролитическом реакторе и все еще продолжается в топочном устройстве. Оксид железа может быть заменен другим подходящим оксидом металла, причем реакции остаются в принципе теми же.

[0021] В случае чрезмерно высокой температуры каустифицирующего материала температуру пиролитического реактора необходимо регулировать охлаждением. В этом случае возможна, например, подача в пиролитический реактор части холодного оксида металла, который главным образом подают в топочное устройство, что обозначено на фиг.1 пунктирной линией 13', благодаря чему он снижает температуру пиролитического реактора до надлежащего уровня. Регулирование температуры может быть выполнено, например, изменением количества оксида железа, подводимого в пиролитический реактор.

[0022] Газообразные продукты 4, образовавшиеся в пиролитическом реакторе, могут быть направлены либо на непосредственное использование, или подвергнуты обработке, например, для получения моторного топлива. Подобным образом, они как таковые могут быть проведены через конденсацию с формированием масляной части, и остальные неконденсируемые газы могут быть дополнительно направлены на использование в качестве топлива или для еще одной подходящей цели. При необходимости часть газообразных продуктов может быть подведена в качестве вспомогательного топлива в топочное устройство 6, как обозначено пунктирной линией 4'.

[0023] Сам по себе пиролитический реактор может иметь разнообразные конструкции. Он может представлять собой реактор с псевдоожиженным слоем, вращающийся барабан или реактор еще одного типа, самого по себе известного. Важно, чтобы он обеспечивал настолько хороший контакт, насколько возможно, между черным щелоком и каустифицирующим материалом, и тем самым быстрый теплоперенос от каустифицирующего материала на черный щелок. Пиролитический реактор 1 как таковой представляет собой камеру, по существу не содержащую кислород, температура которой предпочтительно варьирует в пределах диапазона от 400 до 600°С. Таким образом, температура каустифицирующего материала, подаваемого в пиролитический реактор, должна быть выше, чем температура пиролитического реактора, соответственно чему температура в топочном устройстве 6 предпочтительно варьирует в диапазоне от 600 до 1000°С. В этом случае каустифицирующий материал соответственно находится в пределах того же температурного диапазона, когда его извлекают из топочного устройства и подают в пиролитический реактор.

[0024] В топочном устройстве, которое наиболее предпочтительно представляет собой паровой котел с псевдоожиженным слоем или тому подобный, углерод сгорает с образованием диоксида углерода и нагревает его. При необходимости возможно сжигание в топочном устройстве некоторого другого дополнительного известного топлива, чтобы получить увеличенное количество теплоты. Этим путем можно сжечь весь углерод и использовать энергию от углерода для нагревания каустифицирующего материала. Из топочного устройства образовавшееся соединение оксида натрия и оксида металла (Na₂O·Fe₂O₃) выводят частично в пиролитический реактор 1 и частично, как указано ранее, в растворительный бак для образования гидроксида натрия.

[0025] В некоторых случаях может быть полезным применение отдельного дополнительного реактора между пиролитическим реактором 1 и топочным устройством 6. Этот дополнительный реактор 22 обозначен на фиг.1 пунктирной линией. Дополнительный реактор 22 позволяет увеличить продолжительность реагирования материала, благодаря чему меньшее количество непрореагировавшего карбоната натрия (Na₂CO₃) поступает в топочное устройство, чем сокращаются возможные проблемы блокирования, обусловленные его плавлением.

[0026] Сгорание в топочном устройстве также может быть проведено как горение в присутствии кислорода, и образовавшийся диоксид углерода (СО₂) может быть извлечен.

[0027] Фиг.2 схематически показывает второй вариант осуществления изобретения, в котором пиролитический реактор 1 и паровой котел с циркулирующим кипящим слоем, служащий в качестве топочного устройства 6, скомпонованы как составляющие единое целое. В связи с этой фигурой, действие процесса как такового является таким же, как показано в связи с фиг.1, так что нет необходимости отдельно описывать все подробности. Кроме того, сходные кодовые номера позиций обозначают подобные части.

[0028] В этом варианте исполнения топочное устройство представляет собой главным образом паровой котел 6' с циркулирующим кипящим слоем, который сам по себе известен квалифицированному специалисту в этой области техники, и поэтому его конструкция и принцип действия не нуждаются в подробном описании. В этом техническом решении материал циркулирующего кипящего слоя циркулирует из парового котла 6' с циркулирующим кипящим слоем вдоль пути топочных газов в разделительный циклон 23, где твердое вещество отделяют от топочных газов 16, которые направляют далее вышеописанным образом. В разделительном циклоне 23 твердое вещество падает на дно разделительного циклона 23 и вытекает из него далее через канал 24 на нижнем конце разделительного циклона 23 в пиролитический реактор 1. В то же время часть твердого вещества отделяют для транспортирования через канал 25 в растворительный бак. В свою очередь из пиролитического реактора 1 канал 26 для подачи материала ведет в нижнюю часть парового котла 6' с циркулирующим кипящим слоем, в который также подводят воздух 18 для поддержания горения. Соединение (Na₂O·Fe₂O₃) оксида натрия и оксида металла в свою очередь частично транспортируют описанным в связи с фиг.1 образом в растворительный бак, и, соответственно, из растворительного бака после высушивания и промывания высушенный оксид металла также транспортируют обратно в нижнюю часть парового котла 6' с циркулирующим кипящим слоем.

[0029] Это решение позволяет увеличить продолжительность реальной реакции каустификации в благоприятных условиях, что стимулирует процесс.

[0030] Изобретение представлено выше в описании и соответственных чертежах в качестве примера и никоим образом не ограничено ими, но область защиты определена в соответствии с пунктами прилагаемой патентной формулы. Так, индивидуальные признаки разнообразных технологических примеров могут быть скомбинированы и применены желательным образом в других вариантах исполнения. Важно, что черный щелок подвергается пиролизу с использованием отдельного каустифицирующего материала, включающего один или более оксидов металлов, и что твердое вещество, образовавшееся в пиролитическом реакторе, сгорает так, чтобы утилизировать углерод, находящийся в черном щелоке, для нагревания каустифицирующего материала, и что часть каустифицирующего материала переходит от процесса горения в процесс пиролиза, и часть транспортируется в растворительный бак, из которого полученный гидроксид натрия возвращается в процесс варки целлюлозы, и каустифицирующий материал возвращается в процесс горения.