Способ сжигания отработанного щелока целлюлозного производства в процессе его регенерации

 

Изобретение относится к способу сжигания отработанного щелока целлюлозного производства в процессе его регенерации, при котором жидкость 5А вводят на данном уровне 4 в печь 1, 2, 3, в которой жидкость 5А сначала сушат и после этого твердый остаток пиролизуют и, наконец, сжигают, а химикаты собираются на поду печи, при этом отходящие газы 8 проходят вверх и выходят из печи 1, 2, 3, часть воздуха для горения, так называемый первичный воздух 11, подают на одном или нескольких уровнях 6 ниже уровня 4 ввода 5А жидкости, а другую часть воздуха для горения, так называемый вторичный воздух 12, подают на одном или нескольких уровней 7 между упомянутыми уровнями ввода 4 жидкости и подачи 6 первичного воздуха соответственно, причем вторичный воздух 12 подают в печь 1, 2, 3 таким образом, что газ заставляют вращаться в плоскости по существу перпендикулярно к продольной оси 13 печи, таким образом введенная в печь жидкость 5А отбрасывается наружу в направлении стенок печи 2 за счет вращения газа во время одновременной сушки и пиролиза, таким образом противодействуя так называемому "эффекты дымохода" в печи. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу сжигания отработанных жидкостей в связи с извлечением химикатов из отработанной жидкости, а именно черного щелока, в процессе производства целлюлозы для регенерации химикатов и получения энергии.

В последнем случае сжигание часто осуществляют в котле специальной конструкции, который называют содовой печью. Изобретение касается способа подачи в котел воздуха для горения.

При производстве целлюлозы из древесины или других исходных материалов, содержащих целлюлозу, образуется побочный продукт в форме отработанного щелока, который после испарения, для уменьшения содержания воды соответственно сжигают для регенерации химикатов, используемых в производстве целлюлозы и преобразования органических соединений в отработанном щелоке в полезную энергию.

Часто химикаты, используемые в производстве целлюлозы, состоят из солей натрия и, следовательно, в этих случаях основное содержание катионов в отработанном щелоке составляет натрий.

Если после испарения отработанный щелок, содержащий натрий, сжигают, то основная часть неорганических веществ высвобождается в виде золы в форме расплава, который состоит в основном из карбоната натрия, называемого содой.

Выпаренный отработанный щелок, который все еще содержит некоторое количество воды, добавляют в содовую печь на некотором уровне от пода печи обычно посредством одного или нескольких сопел.

Таким образом, хорошо распределенный отработанный щелок в печи подвергают трем стадиям, а именно сушке, пиролизу и сжиганию углерода. Последнюю стадию осуществляют в основном в слое расплава (слой угля), образованном на поду содовой печи из остатка от пиролиза.

Этот слой с высоким содержанием углерода является условием, при котором основная часть содержания серы в зоне будет выпускаться в восстановленной форме, т. е. в виде сульфида вместе с расплавом. Для того, чтобы реакция восстановления осуществлялась и чтобы можно было выпускать золу в виде расплава, температура слоя расплава должна быть выше определенного уровня.

Это возможно, поскольку горение углерода представляет собой экзотермическую реакцию, т. е. в результате реакции образуется тепловая энергия. Тепло поддерживают путем ввода воздуха для горения через стенки содовой печи на низком уровне. Воздух для горения, который подают на самом низком уровне в печи, обычно называют первичным воздухом.

Как сушка, так и пиролиз, представляют собой эндотермические процессы, в которых энергию подают из окружающей среды. Если очень большая часть этих процессов должна протекать в жидком слое, то температура слоя будет понижаться ниже требуемого уровня и все реакции должны прекращаться (так называемый слой сажи).

По этой причине следует констатировать, что основная часть стадий сушки и пиролиза завершается, когда твердый материал достигает слоя расплава на полу содовой печи.

В настоящее время применяют два, в принципе, различных способа осуществления необходимых стадий сушки и пиролиза. Один способ заключается в том, что после некоторой начальной стадии сушки капля введенного отработанного щелока ударяется о некоторые стенки содовой печи.

Затем отработанный щелок, благодаря передаче тепла за счет конвекции от стенок печи, излучения от слоя расплава и излучения от горения пиролизного газа над слоем, будет сначала подвергаться сушке до конечной стадии и после этого начнется стадия пиролиза. В связи с пиролизом происходит набухание материала, который затем высвобождается и падает на слой расплава.

Другой способ заключается в равномерном распределении введенного отработанного щелока и/или сильной турбулентности газа в огне, при этом следует удостовериться в том, что реакции во время сушки и пиролиза протекают, когда отработанный щелок находится во взвешенном состоянии в печных газах и до того, как частицы отработанного щелока достигнут слоя расплава.

Ни один из описанных способов не пригоден для применения с содовой печью, где отработанный щелок подают через форсунки, направленные в огонь. Даже если распределительные устройства для щелока направить так, чтобы щелок мог ударяться о стенки печи, то часть капель никогда не достигнет стенок и они будут сушиться и пиролизоваться во взвешенном состоянии.

С другой стороны, также неизбежно, что равномерно распределенные капли щелока, который подают для осуществления реакций до некоторой степени во взвешенном состоянии, будут достигать стенок и прилипать к ним. Однако можно сконструировать содовую печь так, чтобы можно было применять один или другой способ.

Изобретение относится к первому упомянутому способу, согласно которому добавку осуществляют таким образом, что большая часть щелока прилипает к стенкам печи до завершения реакций сушки и пиролиза в основном в соответствии со способом Томлинсона (SE B 84138).

В этом способе отработанный щелок вводят посредством распределительного устройства с колебательным движением таким образом, что стенки печи покрываются до уровня нескольких метров выше уровня подачи первичного воздуха.

Между этим уровнем и уровнем подачи отработанного щелока подают так называемый вторичный воздух, основная цель которого обеспечить горение пиролизных газов над слоем расплава. Тепло, которое образуется в результате такого горения газов, частично передается за счет излучения щелоку, который загружен в печь.

Обычно дополнительную часть воздуха для горения подают в печь на уровне, который выше уровня ввода отработанного щелока это так называемый третичный воздух.

Благодаря этому происходит окончательное сжигание газов, таким образом содержание несгоревшего газа в форме окиси углерода (CO), сероводорода (H₂S) и т. п. в вытекающем потоке газа поддерживают на безопасном низком уровне.

Поскольку для повышения производительности содовые печи увеличились в размере, стало трудно поддерживать настоящий процесс Томлинсона. Расстояние между точками ввода отработанного щелока и стенками печи, которые должны покрываться, стало настолько большим, что большая часть щелока никогда не достигает их.

Поэтому вынуждены, когда это касается больших содовых печей, сушить и пиролизовать значительную часть введенного щелока во взвешенном в газах состоянии.

Если большую часть сушки и пиролиза осуществляют во взвешенном состоянии, то увеличивается риск, что также будет происходить горение углерода во взвешенном состоянии и следовательно будет увеличиваться количество неорганического материала, который следует вместе с отходящими газами из печи.

Это в свою очередь может привести к увеличению покрытий на горячих поверхностях в верхней части содовой печи и, следовательно, к снижению эффективности и степени использования печи.

Другим недостатком, из-за горения углерода во взвешенном состоянии, является то, что остальной расплав из частиц отработанного щелока, подвергнутых предварительному сжиганию, если они не следуют за отходящими газами, а падают на под печи, могут легко окисляться, и, следовательно, не будут содержать серу в восстановленной форме.

Техническим результатом, полученным с помощью изобретения, является создание способа, посредством которого можно исключить или уменьшить упомянутые недостатки.

Этот результат достигается при применении способа сжигания отработанного щелока целлюлозного производства в процессе его регенерации, согласно которому щелок вводят на данном уровне в печь, в которой его сначала сушат и затем пиролизуют и, наконец, сжигают, а химикаты собирают на поду печи, при этом отходящие газы проходят вверх и выходят из печи; часть воздуха для горения так называемый первичный воздух подают на одном или нескольких уровнях ниже уровня ввода жидкости, а другую часть воздуха для горения вторичный воздух подают на одном или нескольких уровнях между указанными уровнями ввода щелока и подачи первичного воздуха, соответственно, причем способ отличается тем, что вторичный воздух подают в печь таким образом, что газ вынужден вращаться в плоскости по существу перпендикулярной к вертикальной оси печи, таким образом, введенный в печь щелок ударяется благодаря вращению газа о стенки печи во время одновременной сушки и пиролиза.

В соответствии с изобретением количество щелока, который прилип к стенкам печи, также увеличивается в очень больших содовых печах, таким образом, упомянутые недостатки, связанные с покрытием горячих поверхностей, уменьшаются или даже устраняются.

Кроме того, достигается преимущество, что извлекают очень большое количество серы в восстановленной форме. В результате повышается эффективность установки и уменьшается влияние выброса серы на окружающую среду.

Таким образом, достигаемое вращение газа также имеет преимущество в том, что обеспечивается противодействие так называемому "эффекту дымохода", который особенно заметен в больших содовых печах.

"Эффект дымохода" зависит от того, что газы в центре печи в результате большого расстояния от обычно водоохлаждаемых стенок печи имеют более высокую температуру, чем газы по периферии и следовательно имеют меньшую плотность. Таким образом, газ стремиться двигаться вверх с большей скоростью в центре, чем на стенках.

В некоторых случаях он может проходить так далеко, что поток направляется вниз по стенкам печи. Эффект может увеличиваться, если воздух для горения вводят обычным способом, то есть равномерно на одном уровне через четыре стенки печи благодаря тому факту, что потоки воздуха встречаются в центре и достигают направленного вверх действия.

В соответствии с конкретным исполнением изобретения упомянутый способ осуществляют так, что весь воздух для горения, который подают выше уровня распределения отработанного щелока (так называемый третичный воздух), должен направляться так, чтобы вращение, начатое на более низком уровне, прекращалось или уменьшалось для достижения по существу симметричного потока в одной продольной плосксти содовой печи.

Создание вращения газа в печи посредством подачи воздуха уже известно, но его применяют для различных целей. Например, известен способ сжигания отработанных щелоков, в котором вторичный воздух подают так, что газ побуждается к вращению в горизонтальной плоскости (см. Патент B-197065).

Однако известный способ заключается в подаче вторичного воздуха выше уровня, на котором добавляют отработанный щелок. Этим способом пытаются увеличить возможную подачу всего воздуха для оптимизации горения и разделения посредством центробежной силы твердых частиц, которые следуют за отходящими газами.

Также в связи с сжиганием стружки известно создание вращения в горючих газах (см. например, патент США N 2483728) в способе, в котором для достижения более эффективной сушки стружки применяют два противодействующих вихревых потока газа.

На фиг. 1 представлен схематический вид нижней части содовой печи; на фиг.2 печь квадратного сечения.

Печь 1 содержит стенки 2 и под 3. Жидкие отходы 5А вводят через сопла 4. Внутри печи поддерживают температуру примерно 1000^oC.

Первичный воздух 11 подают в печь через группу сопел 6, которые могут быть расположены на более низком уровне. Поток воздуха через них можно регулировать посредством клапаном 6А.

Вторичный воздух 12 подают через сопла 7, оснащенные клапанами 7А, на уровне между соплами 7 для ввода отработанного щелока и соплами 6 для первичного воздуха.

Органический материал в отработанном щелоке будет сжигаться и двигаться вверх из печи в виде отходящих газов 8. Например, неорганический материал 5 будет находится в расплавленном состоянии в жидком слое 5B на поду 3 печи 1. Этот расплав, который содержит регенерируемые ценные химикаты, можно удалять через выпускное отверстие 9.

Вторичный воздух 12 подают в печь 1 через множество сопел 7, которые расположены симметрично в стенках печи квадратного сечения (см. фиг.2).

В показанном примере исполнения подачу вторичного воздуха можно осуществлять через пять сопел, расположенных на каждой продольной стороне, и четыре сопла соответственно на каждой короткой стороне.

Путем изменения размера отверстий этих сопел (при помощи клапанов 7A подачу воздуха можно практически регулировать до нуля) в соответствии с определенной схемой можно создать вращение газа в плоскости, которая перпендикулярна продольной оси 13 печи.

В показанном примере это достигается тем, что на каждой стороне клапаны 7A закрываются в двух смежных соплах 7, расположенных наиболее близко к углу, где сопла 7 установлены попарно, по существу диаметрально относительно вертикальной продольной оси 13. Вращение можно оптимизировать или точно регулировать посредством отдельного регулирования потока из каждого открытого сопла 7 посредством клапанов 7A.

Для изменения направления вращения потока газа можно изменить угол открывания сопел. Такое изменение угла может быть целесообразным для получения по возможности равномерного износа деталей.

Над соплами 4 для ввода щелока расположено множество сопел 10 для подачи третичного воздуха. В соответствии с конкретным исполнением эти сопла 10 расположены таким образом, чтобы подача третичного воздуха эффективно противодействовала или препятствовала вращению газа, создаваемому потоком 12 вторичного воздуха, таким образом в идеальном случае симметричный подъем потока достигается в продольной плоскости содовой печи.

В примере применения большой содовой печи 1 в соответствии с изобретением первичный воздух 11 подают примерно равномерно на уровне около 1 м над подом 3 печи при низком давлении через четыре стенки 2 содовой печи.

Вторичный воздух 12 подают на уровне примерно 2 м над первичным воздухом 11 при более высоком давлении через отверстия 7, расположенные и применяемые, в принципе, как показано на фиг. 1, 2. Выпаренный отработанный щелок из процесса производства целлюлозы вводят через некоторые разбрызгивающие сопла 4, которые расположены на уровне примерно 4 м выше уровня 12 подачи вторичного воздуха при входном давлении примерно 1 бар.

Наконец, третичный воздух 14 подают при еще большем давлении, чем давление вторичного воздуха 12, через отверстия 10, которые также равномерно распределены на передних и задних стенках содовой печи на уровне еще примерно 4 м вверх.

Изобретение не ограничено описанным и показанным и в объеме формулы изобретения возможны изменения. Итак, вторичный воздух можно подавать на различных уровнях, если представить присутствие в будущем дополнительного источника подачи воздуха, выше уровня подачи третичного воздуха.

Также должно быть ясно, что в объеме изобретения возможны другие изменения, например в форме содовой печи, которая может быть, например, круглого сечения вместо квадратного сечения.

Также ясно, что вместо равномерно распределенных каналов 7, 10 и 6 для подачи воздуха (см. фиг. 1, 2) можно применять каналы, расположенные на каждом уровне различного размера и расположения. Понятно, что количество сопел для подачи воздуха может изменяться в широком объеме, который означает, что в одной стенке может быть расположено только одна сопло на одном уровне.

Формула изобретения

1. Способ сжигания отработанного щелока целлюлозного производства в процессе его регенерации, при котором в печь подают отработанный щелок на одном уровне и первичный воздух и вторичный воздух на разных уровнях, при этом вторичный воздух подают так, что он создает вращающийся поток горючих газов в горизонтальной плоскости, который увлекает отработанный щелок и осуществляет его сжигание, образовавшиеся после сжигания химикаты собирают на поду печи, а отработанные газы удаляют из нее, отличающийся тем, что вторичный воздух подают в печь ниже уровня подачи отработанного щелока и регулируют расход вторичного воздуха так, что вращающийся поток горючих газов направляет отработанный щелок к стенкам печи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно в печь на уровне выше уровня подачи отработанного щелока подают третичный воздух и регулируют его расход так, что ниже этого уровня вращающийся поток горючих газов уменьшается или прекращается.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодически изменяют направление вращающегося потока горючих газов на противоположное путем периодического изменения направления подачи в печь вторичного воздуха.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при создании вращающегося потока горючих газов используют по меньшей мере 70 предпочтительно 90 100% от общего количества вторичного воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PD4A - Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:Метсо Пауэр АБ (SE)

Адрес для переписки:193036, Санкт-Петербург, а/я 24, ЗАО «НЕВИНПАТ»

Извещение опубликовано: 10.05.2008        БИ: 13/2008