Способ регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов. Способ регенерации основан на использовании газовой турбины и компрессора, подвода черного щелока в раствор газификации, в котором черный щелок газифицируют до давления выше атмосферного в присутствии некоторого количества кислорода, посредством чего неорганические соединения регенерируют как жидкофазные соединения, используемые для образования пульпы, а энергия органических соединений черного щелока соединяется, главным образом, с химическими соединениями газовой фазы. Газы, образовавшиеся при газификации и содержащие соединения натрия, подводят в охладитель частиц, в котором соединения переходят в твердое состояние, а газы, охлажденные в охладителе частиц, очищают фильтром и затем направляют в газовую турбину. Отличия устройства для реализации указанного выше способа заключаются в том, что фильтр выполнен в виде волокнистого фильтра, а охладитель частиц выполнен с псевдоожиженным слоем и содержит смесь частиц спеченных химических соединений Na₂S и Na₂CO₃ или песок, снабжен бойлером и испарителем, генератором и циклоном расплава. Изобретение позволяет существенно повысить уровень производства электричества и пара. 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к технике регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов.

Известен способ регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов, основанный на использовании газовой турбины и компрессора, приводимого в действие газовой турбиной, подвода черного щелока, содержащего твердые сухие вещества в реактор газификации, газификации в реакторе указанного щелока при давлении выше атмосферного в присутствии кислорода, количество которого меньше стехиометрического, путем введения в реактор газификации горячего газа и создания в нем заданной температуры газификации, сжатии воздуха с помощью компрессора до давления выше атмосферного, отделении от горячего газа соединений натрия и подвода этого газа в турбину /PCT WO 86/07396, кл. D 21 C 11/12, 1986/.

В данном способе неорганические соединения регенерируют в виде соединений жидкой фазы, которую используют для получения пульпы, а энергию органических соединений связывают, в основном, с их газовой фазой.

Регенерация химических соединений и энергии черного щелока в этом способе происходит в так называемом испарителе восстановителе кристаллической соды. Нижняя часть указанного испарителя всегда остается восстановительной благодаря поэтапному вводу воздуха. При регенерации из испарителя-восстановителя химические соединения получают, главным образом, в виде Na₂S и Na₂CO₃, как соединения жидкой фазы. В испарителе-восстановителе химическую энергию черного щелока используют для выработки пара, который затем подводят в паровую турбину. Пар для получения пульпы по данному способу частично получают за счет отработанного пара, однако, главным образом, путем так называемого обратного фильтрационного давления пара, полученного за турбиной: необходимый уровень этого давления /противодавления/ при получении пульпы при данном способе составляет 0,4 МПа, поэтому степень расширения пара в турбине оказывается низкой. Наиболее существенными недостатками известного способа являются низкий уровень производства электричества и большая стоимость вложений в указанный способ, что вызывает необходимость поиска более результативных способов регенерации.

В известном способе соединения натрия регенерируют, как отмечалось, в виде Na₂S и Na₂CO₃. В этом способе, как и в подобных ему, получаемые после этапа газификации газы обрабатывают методом мокрой очистки, связанным с затратами энергии, которая могла бы быть использована в газовой турбине. Этот метод оказывается неэффективным при удалении соединений натрия, просачивающихся из реактора газификации. По этой причине срок службы лопаток газовой турбины при использовании метода мокрой очистки слишком мал.

Газы, выходящие из реактора газификаций, содержат большие количества натрия в жидкой и газовых фазах, поэтому холодильник, работающий по принципу непрямой передачи тепла, трудно поддерживать в чистом виде. Другая проблема, связанная с использованием регенерационных холодильников, заключается в том, что размер частиц, образующихся в фазе перехода испаренного натрия, очень мал, что делает процесс их отделения практически не осуществимым.

Эти проблемы, связанные со способами регенерации, основанные на применении газовой турбины, ранее не были решены удовлетворительным образом.

Задачей настоящего изобретения является повышение уровня производства электричества и пара.

Эта задача согласно изобретению с помощью способа регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов, основанного на использовании газовой турбины и компрессора, приводимого в действие газовой турбиной, подводе черного щелока, содержащего твердые сухие вещества, в реактор газификации, газификации в реакторе указанного щелока при давлении выше атмосферного в присутствии кислорода, количество которого меньше стехиометрического, путем введения в реактор газификации горячего газа и создания в нем заданной температуры газификации, сжатии воздуха с помощью компрессора до давления выше атмосферного, отделении от горячего газа соединений натрия и подводе этого газа в турбину, решается тем, что соединения натрия в виде расплавленной смеси сульфида натрия и карбоната натрия пропускают через реактор газификации для их регенерации, а горячие газы, содержащие расплавленный и выпаренный натрий, подводят от реактора газификации в охладитель частиц, в котором соединения натрия переводят в твердое состояние путем подвода к охладителю сжатого воздуха от компрессора и получения заданной температуры охладителя, при этом по крайней мере часть воздуха, нагретого в охладителе частиц, подводят в реактор газификации, а газы, охлажденные в охладителе частиц, очищают фильтром и затем подводят в газовую турбину, а также тем, что содержание твердых сухих веществ в черном щелоке составляет от 75 до 80% температура газификации составляет от 900 до 1100^oC, а температура охладителя частиц составляет от 400 до 500^oC. Задача решается и тем, что соединения натрия отделяют от газов с помощью волокнистого фильтра, а черный щелок выпаривают в испарителе паром, причем черный щелок превращают, главным образом, в сухой порошок, который транспортируют вместе с образовавшимся при этом паром в реактор газификации, а пар для выпаpивания вырабатывают в бойлере, к которому подводят отработанные газы от газовой турбины.

Задача решается также тем, что порошок натрия, накапливающийся в фильтре, вновь выводят в цикл в реакторе газификации, а газ между охладителем частиц и фильтром охлаждают до значений температуры от 200 до 250^oC c помощью теплообменника или путем впрыскивания воды в газ.

Изобретение относится также к устройству для регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов, содержащему газовую турбину, компрессор, соединенный с турбиной, реактор газификации, средства для сепарации соединений натрия от газов, образовавшихся в реакторе газификации, средства для подачи газов в газовую турбину /PCT WO 86/07396, кл. D 21 C 11/12, 1986/. Предлагаемое устройство отличается тем, что средства для сепарации натрия от газов выполнены в виде охладителя частиц, снабженного дополнительными средствами для подачи в охладитель сжатого воздуха от компрессора и аналогичными средствами для подачи от охладителя в реактор газификации нагретого воздуха, а средства очистки газов от частиц выполнены в виде фильтра, при этом фильтр выполнен в виде волокнистого фильтра, расположенного между охладителем частиц и газовой турбиной, а охладитель частиц выполнен в виде охладителя с псевдоожиженным слоем и содержит смесь частиц из спеченных химических соединений Na₂S и Na₂CO₃ или песок.

Устройство отличается и тем, что дополнительно снабжено бойлером для выработки пара, соединенным со средствами отвода отработавших газов от газовой турбины, и испарителем, соединенным с бойлером, для концентрирования черного щелока до требуемого содержания сухих веществ, а также тем, что дополнительно снабжено генератором, соединенным с газовой турбиной, и содержит циклон расплава, размещенный в реакторе газификации.

На фиг. 1 показана технологическая схема способа регенерации и схема устройства согласно изобретению, а на фиг. 2 то же, но с циклоном расплава.

Работа изобретения происходит следующим образом.

Черный щелок по трубопроводам 1a и 1b подают в испаритель 1, который может быть выполнен на псевдоожиженном слое или быть любым другим пригодным для этих целей испарителем. В испарителе 1 при повышенной температуре из черного щелока испаряют воду до тех пор, пока содержание твердых сухих веществ не будет составлять величину от 60 до 80% Для улучшения испарения горячий пар и газ подводят в трубопровод 1с, где пар конденсируется и конденсат с помощью насоса 2 затем снова возвращают в нижнюю часть испарителя 1. По трубопроводу 1d концентрированный щелок подводят в реактор газификации 3. В этот реактор по трубопроводу 4а подводят также воздух, нагретый в охладителе частиц 4, чтобы получить температуру в реакторе газификации в пределах от 800 до 1200^oC /предпочтительнее от 900 до 1100^o/. Cодержание твердых сухих веществ в нагретом воздухе составляет от 40 до 50 моль/кг.

Почти весь сжатый воздух от компрессора 8 с температурой от 270 до 300^oC, зависящей от степени сжатия, подводят в охладитель частиц 4, чтобы его температура составляла от 300 до 600^oC /предпочтительнее от 400 до 500^oC/. Расплавленную смесь сульфида натрия и карбоната натрия из реактора газификации 3 по трубопроводу 3а направляют к растворителю. Горячие же газы, содержащие расплавленный и испаренный натрий, из реактора газификации 3 подводят в охладитель частиц 4, в котором эти газы охлаждают потоком воздуха из компрессора, а соединения натрия переводят в твердое состояние.

В данном изобретении под охладителем частиц понимают аппарат, в котором для быстрого охлаждения газы контактируют с твердыми частицами. С точки зрения способа регенерации использование охладителя частиц позволяет получать следующие основные преимущества: 1/ соединения натрия, содержащиеся в газах и являющиеся нежелательными для поверхностей нагрева, осаждаются на поверхности твердых частиц и, таким образом, не вызывают загрязнения поверхности нагрева; 2/ для испаряемого натрия имеет место большое количество ядер конденсаций, а поэтому количество субмикрочастиц, трудно отделимых по сравнению с малыми частицами, остается незначительным.

Охладитель частиц может быть выполнен, например, с псевдоожиженным слоем, температуру которого регулируют охлаждением. Охладитель частиц содержит смесь частиц спеченных химических соединений Na₂S и Na₂CO₃ или песок.

Соединения натрия, накапливающиеся в охладителе частиц, вновь вводят в цикл реактора газификации, откуда они поступают в диссольвер для образования в нем зеленого раствора /жидкости/.

В охладителе частиц газы, поступающие из реактора газификации, охлаждают до температуры, при которой они могут быть очищены простым и эффективным фильтром 5, например волокнистым фильтром или керамическим. В настоящее время рабочей температурой для большинства широко используемых волокнистых фильтровочных материалов является температура около 200-250^oC. На выходе компрессора температура потока воздуха составляет около 300^oC. Поэтому этот поток охлаждают непосредственно водой до указанного значения температуры.

Натриевый порошок, накапливающийся в фильтре 5, направляют по трубопроводу 5а назад в реактор газификации 3, из которого удаляют в расплавленном состоянии в диссольвер зеленого раствора.

После фильтра 5 газы, практически очищенные от щелочей, вместе с нагретым в охладителе частиц воздухом подводят в камеру сгорания 6 газовой турбины, в которой температуру газов, вплоть до максимальных значений, определяемых газовой турбиной 7, регулируют за счет количества воздуха, поступающего в камеру сгорания по трубопроводу 4b. При таком регулировании максимальная температура газов в камере сгорания находится в пределах от 850 до 1000^oC и зависит от типа турбины и ее изготовителя. В газовой турбине энергия горячих газов преобразуется в механическую энергию, которая используется для приведения в действие компрессора 8 и генератора 9.

Температура отработавших газов после газовой турбины составляет около 450^oC. Их тепловая энергия используется для получения пара при образовании пульпы путем постановки одного или нескольких бойлеров. В варианте изобретения, показанного на фиг. 1, для получения пара при давлении 6,0 МПа эта задача решается в бойлере 10, из которого пар по замкнутому циклу подводится в испаритель 1. Циркуляционный процесс в указанном цикле обеспечивается насосом 10, а в замкнутой системе труб 10b за счет того, что пар, нагретый в бойлере 10, поступает в испаритель 1, отдает в нем свое тепло, конденсируется и конденсат с помощью насоса 10а закачивают обратно в бойлер 10. Эта схема способа необходима, если содержание сухих твердых веществ в черном щелоке после испарительной установки при образовании пульпы будет оставаться низким. Для образования газа было бы более предпочтительным увеличить содержание сухих твердых веществ с 60% например, как минимум до 75-80% Особенностью испарителя 1 является то, что в нем испарение осуществляют до превращения черного щелока в сухой порошок, который затем вместе с испарившимся паром транспортируют по трубопроводу Id в реактор газификации 3. В случае необходимости дополнительная энергия для образования газа может быть получена путем введения в реактор газификации 3 дополнительного топлива через трубопровод 3b.

Для дальнейшего повышения эффективности установки газы из бойлера 10 могут быть затем направлены в бойлер 11, из которого получают пар низкого давления /1,0 МПа/ для общего использования в установке.

Была произведена оценка эффективности способа согласно настоящему изобретению по сравнению с другими способами. При этом в качестве контрольного количества сухого черного щелока была взята величина, равная 10 кг, и черный щелок, содержащий следующий состав сухих твердых веществ (вес.ч.): С 0,352; H 0,037; O 0,358; N 0,0; S 0,047; Na 0,206.

Эффективная термическая величина сухих твердых веществ: 14 МДж/кг Температура в реакторе газификации 950^oС Температура воздуха до реактора газификации 400^oC Температура черного щелока 150^oC Поток твердых сухих веществ 10 кг/сек Степень сжатия 10 Степень сжатия в турбине 9
Температура воздуха после компрессора 306^oC
Температура газа перед турбиной 900^oC.

При расчетах предполагается, что с целью увеличения выхода электрической энергии пар в способе вырабатывается только отработанными газами газовой турбины.

Сравнительная оценка способа для установки, показанной на фиг. 1, была проведена для трех случаев.

1. Вода, содержащаяся в черном щелоке /0,25 кг/кг твердых сухих веществ/, подается как вода в реактор газификации. Количество воздуха для газификации выбирают из условия получения в реакторе газификации расчетной температуры, равной 950^oC.

2. Воду, содержащуюся в черном щелоке /0,25 кг/кг твердых сухих веществ/, подают в реактор газификации в виде пара. Количество воздуха для газификации регулируют из условия, чтобы расчетная температура в реакторе газификации составляла 950^oC.

3. То же, что в случае по п. 1, но сухая очистка газов заменена мокрой очисткой, при которой газы охлаждают водой при температуре 15^oC до температуры 115^oC.

Результаты сравнительной оценки приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 следует, что предлагаемый способ регенерации по сравнению со способами регенерации, основанными на использовании бойлеров для восстановления каустической соды, позволяет получать практически в два раза больший выход электрической энергии. Кроме того, стоимость вложений в способ регенерации, основанный на использовании газовой турбины, значительно меньше, чем в способе, основанном на использовании бойлера для восстановления каустической соды. Из таблицы 1 видно также, что при использовании мокрой очистки электричества получают меньше, чем при использовании сухого способа очистки согласно настоящему изобретению. Другим основным недостатком техники мокрой очистки является слабая возможность сепарации щелочи, в результате чего срок службы газовой турбины оказывается очень коротким.

На фиг. 2 показана технологическая схема способа регенерации и соответствующего ему устройства, соответствующая в основных своих операциях способу, показанному на фиг. 1, за исключением того, что в ней в технологический цикл и устройство дополнительно включен циклон расплава, обозначенный позицией 12. Практически циклон расплава размещают в газификаторе 3. Он предназначен для отделения больших расплавленных частиц от горячих газов перед тем, как газы пройдут от газификатора к охладителю части 9. Стрелка 12а показывает, как вещество, отделенное в циклоне расплава, проходит через газификатор, чтобы затем попасть в диссольвер, как показано стрелкой 3а.

В деталях способ и устройство могут изменяться в пределах заявленной формулы изобретения. Например, этапы способа могут быть приспособлены к каждой конкретной мельнице путем выработки части пары по способу в охладителе частиц или же в бойлере, расположенном между камерой сгорания и газовой турбиной.

Формула изобретения

1. Способ регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов, основанный на использовании газовой турбины и компрессора, приводимого в действие газовой турбиной, подводе черного щелока, содержащего твердые сухие вещества, в реактор газификации, газификации в реакторе указанного щелока при давлении выше атмосферного в присутствии кислорода, количество которого меньше стехиометрического, путем введения в реактор газификации горячего газа и создания в нем заданной температуры газификации, сжатии воздуха с помощью компрессора до давления выше атмосферного, отделении от горячего газа соединений натрия и подводе этого газа в турбину, отличающийся тем, что соединения натрия в виде расплавленной смеси сульфида натрия и карбоната натрия пропускают через реактор газификации для их регенерации, а горячие газы, содержащие расплавленный и выпаренный натрий, подводят от реактора газификации в охладитель частиц, в котором соединения натрия переводят в твердое состояние путем подвода к охладителю сжатого воздуха от компрессора и получения заданной температуры охладителя, при этом по крайней мере часть воздуха, нагретого в охладителе частиц, подводят в реактор газификации, а газы, охлажденные в охладителе частиц, очищают фильтром и затем подводят в газовую турбину.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание твердых сухих веществ в черном щелоке составляет 75 80%
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температура газификации составляет 900 1100°С.

4. Способ по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что температура охладителя частиц составляет от 400 до 500°С.

5. Способ по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что соединения натрия отделяют от газов с помощью волокнистого фильтра.

6. Способ по любому из пп. 1 5, отличающийся тем, что черный щелок выпаривают в испарителе паром, причем черный щелок превращают главным образом в сухой порошок, который транспортируют вместе с образовавшимся при этом паром в реактор газификации, а пар для выпаривания вырабатывают в бойлере, к которому подводят отработанные газы от газовой турбины.

7. Способ по любому из пп. 1 6, отличающийся тем, что порошок натрия, накапливающийся в фильтре, вновь вводят в цикл в реакторе газификации.

8. Способ по любому из пп. 1 7, отличающийся тем, что газ между охладителем частиц и фильтром охлаждают до значений температуры от 200 до 250°С с помощью теплообменника или путем впрыскивания воды в газ.

9. Устройство для регенерации энергии и химических продуктов в процессе образования сульфатов, содержащее газовую турбину, компрессор, соединенный с турбиной, реактор газификации, средства для сепарации соединений натрия от газов, образовавшихся в реакторе газификации, средства для очистки газов от частиц и средства для подачи газов в газовую турбину, отличающееся тем, что средства для сепарации натрия от газов выполнены в виде охладителя частиц, снабженного дополнительными средствами для подачи в охладитель сжатого воздуха от компрессора и аналогичными средствами для подачи от охладителя в реактор газификации нагретого воздуха, а средства очистки газов от частиц выполнены в виде фильтра.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что фильтр выполнен в виде волокнистого фильтра, расположенного между охладителем частиц и газовой турбиной.

11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что охладитель частиц выполнен в виде охладителя с псевдоожиженным слоем.

12. Устройство по любому из пп. 9 11, отличающееся тем, что охладитель частиц содержит смесь частиц из спеченных химических соединений Na₂S и Na₂CO₃ или песок.

13. Устройство по любому из пп. 9 12, отличающееся тем, что дополнительно снабжено бойлером для выработки пара, соединенным со средствами отвода отработавших газов от газовой турбины, и испарителем, соединенным с бойлером для концентрирования черного щелока до требуемого содержания твердых сухих веществ.

14. Устройство по любому из пп. 9 13, отличающееся тем, что дополнительно снабжено генератором, соединенным с газовой турбиной.

15. Устройство по любому из пп. 9 14, отличающееся тем, что содержит циклон расплава, размещенный в реакторе газификации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4