CN102086605B - 处理纸浆厂黑液的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理纸浆厂黑液以回收其中的化学药品和能量的方法和设备。在本发明中，在热解反应器(4)中热分解该黑液，形成的气体组分被引导用于利用，将砂粒返回到流化床锅炉内，并且将固体物质与水混合，由此将碳酸钠-水溶液返回到制浆工艺中，并将固体碳返回到流化床锅炉(1)内。

Description

处理纸浆厂黑液的方法和设备
发明背景
本发明涉及一种处理纸浆厂黑液以回收其中的化学药品和能量的方法。本发明还涉及一种处理纸浆厂黑液以回收其中的化学药品和能量的设备。
在制浆过程中，通过将木材原料例如木屑在包含碱液和其它物质的化学溶液中蒸煮来使用热和化学药品处理木材原料如木屑。这称为制浆。这种处理的目的是去除束缚纤维的木质素。在硫酸盐法蒸煮过程中使用的蒸煮化学药品是氢氧化钠(NaOH)和硫化钠(Na2S)的混合物。在纯碱法蒸煮过程中，蒸煮化学药品是氢氧化钠(NaOH)。在碳酸盐法蒸煮过程中，蒸煮化学药品是碳酸钠(Na2CO3)。在蒸煮之后，将从木材料中分离的纤维纸浆从制浆液中分离出来，在该制浆液中溶解有在蒸煮期间残留的各种木材材料组分，例如木质素和无机物。然后在蒸发装置中蒸发蒸煮后分离的该化学混合物即黑液，以便产生包含尽可能少的水的可燃材料。从该蒸发装置的最后一步获得且通常被装入回收锅炉内要进行燃烧的该材料可具有至多85％的干物质含量。
传统上，在回收锅炉中燃烧黑液，由此产生蒸气和电以用作工厂和可能出售的能量。从该回收锅炉去除液态盐形式的黑液无机部分；这产生热量和液态盐，可用该热量加热水并且使水蒸发以产生能量，和由该液态盐再生产蒸煮化学药品。例如，在芬兰专利82494和91290中公开了这些内容。
已经尝试黑液气化来替换回收锅炉，但实际上还有待于完成商业上有竞争力的方案。
WO公布2004/005610公开了一种方案，其中热分解黑液并且气化由热分解产生的焦炭。然而，在实践中这个方法是困难的并且要求单独且昂贵的气化设备。
发明概述
本发明的目的是提供一种处理黑液的方法和设备，用该方法和设备可以从工艺中消除掉回收锅炉，并且这可主要使用现有的纸浆厂设施而简易地实现。
本发明方法的特征在于：
-将黑液装入热解反应器，所述热解反应器具有基本上无氧的空间，
-向所述热解反应器中装入在流化床锅炉内加热过的砂粒，由此气化所述黑液并形成气体组分和固体物质，
-引导在所述热解反应器中形成的气体组分以便利用，
-将砂粒与所述热解反应器内形成的固体物质分开并将砂粒返回到所述流化床锅炉中，
-将水添加到剩余的固体物质中，将固体物质中的碳酸钠溶于水中，
-将形成的碳酸钠-水溶液返回到制浆工艺中并将剩余的固体碳返回到流化床锅炉中。
本发明设备的特征在于其包括：
-流化订锅炉，
-热解反应器，向其中装入黑液并在那里在基本上无氧的空间内热分解所述黑液，形成气体组分和固体物质，
-用于将从流化床锅炉中获得的砂粒装入热解反应器的装置，
-引导在所述热解反应器中形成的气体组分以便利用的装置，
-将砂粒与在热解反应器中形成的固体物质分离开的分离器，
-使分离的砂粒返回到流化订锅炉的装置，
-使分离的固体物质与水混合以使固体物质中的碳酸钠溶入水中的混合反应器，
-使碳酸钠-水溶液返回制浆工艺并使剩余的固体碳返回到流化床锅炉的装置。
本发明的基本思想在于通过将黑液和在流化床锅炉内加热过的砂粒装入同一个热解反应器内而使黑液热解，其中将黑液在基本上无氧的空间内加热至合适的温度，以便使黑液中含有的挥发性物质转变成气态。本发明的另一个基本思想在于将所述气体组分与所述固体物质分离开并将其引导至例如电力生产的应用中；从该固体物质中分离砂粒并将其引导回至流化床锅炉中；和使固体物质与水混合，由此产生碳酸钠-水溶液和固体材料碳，该固体碳材料例如被送往流化床锅炉内用于进一步利用。根据本发明的实施方式，还将惰性的气体或气体混合物装入该热解反应器内。根据本发明的又一个实施方式，将在该热解反应器中形成的气体组分送去进行进一步的处理，例如提纯和/或冷凝。根据本发明的再一个实施方式，将足够热的砂粒装入该热解反应器内以便该砂粒将黑液加热到热解所需要的温度，由此不需要在该热解反应器内有额外的加热。
本发明的方法提供了仅一个化学循环即可实现能量和化学药品回收的优点。另外，可以使用经过冷凝从该气体组分中分离出的热解油来替代化石燃料，或者，如有必要，可以将该热解油进一步提炼成交通燃料。另一个优点是当快迅速热解时，气体的形成得以最大化。而且，由于热解温度低，因此避免了常规回收锅炉的腐蚀和污染问题。
附图简述
将更加详细地在附图中说明本发明，其中：
图1是应用本发明方法的设备的示意图，和
图2是应用本发明方法的第二设备的示意图，
图3是应用本发明方法的第三设备的示意图，和
图4是应用本发明方法的第四设备的示意图。
发明详述
图1是适用于实施本发明方法的设备的示意图。其具有流化床锅炉1，在其中燃烧适合的燃料2，最优选在纸浆厂中形成的燃料。此外还可能向该流化床锅炉中装入已知的固体、液体或气体的辅助燃料3，例如油、气体、或其他合适的燃料。将形成的烟道气4以本身已知的方式从该流化床锅炉引导去提纯和可能地回收热量。
将具有200℃到900℃典型温度的加热过的砂粒5从该流化床锅炉送入热解反应器6中，还向热解反应器6中装入黑液7和流化气体8。该热解反应器6可以是任何合适的反应器，例如流化床锅炉等等。
该流化气体8是惰性的气体或气体混合物。对于该气体，可能使用纯惰性气体，但是更显著有利的是使用例如以下说明的不凝结的气体或含有反应后的气体或气体混合物的气体，如一氧化碳、二氧化碳、氮气、氮氧化物或水蒸气。此外，甚至可以使用除去了固体物质的烟道气，例如来自于该流化床锅炉的烟道气，作为该流化气体。
该热解反应器6中的温度是大约200℃至900℃，优选400℃至700℃。当向其中装入温度为200℃至900℃的热砂粒5时，该热砂粒加热黑液。然后在该反应器中由黑液中的材料生成气体组分9和主要包含碳酸钠和固体碳的固体物质10。
该气体组分9被引导用于进一步的处理或以它们的气体形式用于交通燃料的制备或用作流化床锅炉1的辅助燃料。或者，该气体可被导入冷凝器11中。在该冷凝器11中，冷凝了的气体形成油12，该油被引导用作电力生产的燃料，或可将该油进一步提炼例如用于车用燃料。这个油还可以在流化床锅炉1中用作为辅助燃料。而将不凝结的气体13引导至电力生产或用于以其他方式进行应用，并且可以将至少部分该气体引导回流化床锅炉1中用作辅助燃料或流化气体8。
将固体物质和砂粒的混合物导入分离器14中，在那里将砂粒5与固体物质的其余部分分离开并将该砂粒返回到流化床锅炉1中。将剩余的固体物质15装入混合反应器16中，还向该混合反应器中加入水17。然后将固体物质16中的固态碳酸钠Na2CO3溶入水中并可将其引回至制浆工艺作为碳酸钠-水溶液18[H2O+Na2CO3(含水的)]。剩余的固体物质19主要是固体碳，可将该固体碳原样返回到流化床锅炉中或在干燥机20中干燥之后返回到流化床锅炉中。
该气体组分和固体物质还可以被引入单独的气体分离器21，其例如可以是常规的旋风分离器。在气体分离器21中，将在热解反应器6中形成的固体物质和砂粒与被引去进行利用的气体组分分离开，并将该固体物质和砂粒导入分离器14内以便使它们彼此分离。如有必要，还可以使用单独的热源22加热该热解反应器6以便将不含氧的材料装入该热解反应器中。最优选地，使用间接加热，其中使用热源的热量来从外部加热该热解反应器。
图2是适合于实施本发明方法的第二设备的示意图。对于其中相应的组件，使用与图1中所使用的相同的数字，对它们不用单独说明，除非为理解需要。图2所示的方案与图1所示的方案的区别在于热解反应器是被从外部加热的旋转炉。
在这种情况下，该热解反应器6是大体上卧式的管状炉，其还可围绕其纵轴旋转。优选将黑液7和砂粒5装入稍微倾斜设置的炉子的顶端即进料端，相应地从该管状炉子的下端即出料端将固体物料10移入到分离器14内。在该炉内部，在其纵向还可以具有移动该固体物质以合适的速度穿过该炉的搅拌器或进料螺杆。从该管状炉的顶端移出在该热解反应器6中形成的气体组分9并将其引导以便利用或处理，如图1所示。在这个实施方式中，不需要用于将固体物质和气体彼此分离的单独的分离器，且该炉充当热解反应器6也还充当它们的分离装置。
将来自流化床锅炉1的烟道气4引导通过单独的通道22送去加热该热解反应器6。在该管状炉的周围，优选建造绝热的通道系统或空间，所述来自流化床锅炉1的烟道气流过该通道系统或空间，以便使该烟道气到达该热解反应器6即管状炉的出料端，然后流向该炉子的进料端，并且从那里移出烟道气4以根据需要进行处理。用这种方法，在该热解反应器中进行逆流加热，由此当黑液穿过该炉子向出料端推进时该黑液连续地受热热解。优选在热解反应器或一些其它适宜的位置在该烟道气通道22中形成至少一个用于排出与该烟道气分离开的固体物质如灰分的出料通道23。
代替用流化床锅炉的烟道气加热或除了用流化床锅炉的烟道气加热之外，还可以通过使用液体或气体燃料的燃烧器通过将它们的热烟道气体送去加热热解反应器来加热该热解反应器。
当在该热解反应器中使用单独的外部加热时，装入其中的砂粒的温度可以是较低的，因为该砂粒不需要将黑液加热至热解温度，因为这可以用额外的加热来完成。因此，装入的砂粒的温度可以仅仅是200℃以上。
鉴于热解反应器6的操作，如果该温度尝试上升过高或该排出的烟道气过热，在将它们送去加热该热解反应器6之前可以通过使用本身已知的冷却方法例如冷却器或传热面24来冷却该烟道气，在其中回收该烟道气的热量并在该工艺的其它地方使用。
代替烟道气加热，还可能使用一些其它加热方法，用这些方法使热解反应器6的温度成为适于热解的温度，优选400℃至700℃。
当使用卧式炉作为热解反应器6时，其不需要单独的流化气体。
图3和4显示了本发明的又一个实施方式。
图3显示了与图1的方案相对应的方案，而图4显示了与图2的方案相对应的方案，不同之处在于它们还具有单独的苛性化容器25之外，向该苛性化容器中装入碳酸钠-水溶液18[H2O+Na2CO3(含水的)]。另外，将氧化钙26(CaO)以固体物质形式装入该苛性化容器25内，由此获得作为反应产物的氢氧化钠(NaOH)和碳酸钙(CaCO3)。将由这些形成的混合物27引导至分离器中，该分离器本身是已知的且在此处没有显示，并从该分离器将氢氧化钠(NaOH)返回到该工艺中，将碳酸钙(CaCO3)以本身已知的的方式送去烧掉，在这之后可以将形成的氧化钙(CaO)再次装入该苛性化容器中。
因此，本发明的方法不需要常规的回收锅炉并且黑液化学药品的回收可以主要使用热解反应器来实现，其尺寸和投资成本是回收锅炉成本的几分之一。类似地，与该回收锅炉相比，该热解反应器的生产成本也是相当低的。因为在该热解反应器中形成的气体还可被利用或进一步提纯用作燃气透平机或柴油发电机的燃料，因此还可以以比使用已知的回收锅炉方案更显著有效的方式产生工艺所需的电和蒸气。当应用本发明的方案时，还可以避免昂贵的气化器方案，根据现有的经验气化器方案至少是相当难以应用的。
该流化床锅炉可以是任何已知的流化床锅炉，在其中可以加热砂粒并且可以将砂粒从其中回收到热解反应器内。该热解反应器可以是任何适合的热解反应器，但是优选使用卧式的旋转圆筒炉，因为它们的操作和性能是熟知的并且可控制的。该混合反应器进而也可以是任何合适的混合反应器，可以向其中装入来自分离器的固体物质和水以及合适地从其中移出溶液和固体物质。在混合反应器之后使用单独的分离器也是可能的，用该单独的分离器可以将碳酸钠-水溶液与固体物质分离开。如有必要，可以在该固体物质被装入流化床锅炉之前干燥该固体物质，该固体物质主要是碳。
以上在说明书和附图中仅仅举例说明了本发明，但是其决不是对本发明的限制，根据所附的权利要求限定保护范围。因此，还可以结合不同的工作实施例的个别特征并以需要的方式将其应用于其他的实施方式。

Claims (28)

1.一种处理纸浆厂黑液以回收其中的化学药品和能量的方法，其特征在于：
-将黑液装入热解反应器，所述热解反应器具有基本上无氧的空间，所述热解反应器中的温度是200℃至900℃，
-向所述热解反应器中装入在流化床锅炉内加热过的砂粒，由此气化所述黑液并形成气体组分和固体物质，
-引导在所述热解反应器中形成的气体组分以便利用，
-将砂粒与所述热解反应器内形成的固体物质分开并将砂粒返回到所述流化床锅炉中，
-将水添加到剩余的固体物质中，将固体物质中的碳酸钠溶于水中，
-将形成的碳酸钠-水溶液返回到制浆工艺中并将剩余的固体碳返回到流化床锅炉中。
2.权利要求1的方法，其特征在于：将在所述热解反应器内形成的气体组分和固体物质引入分离器内以将它们彼此分离。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于：将惰性的气体或气体混合物供应到所述热解反应器内与所述黑液混合。
4.权利要求3的方法，其特征在于：被引入所述热解反应器内的所述气体或气体混合物至少部分是由从热解反应器中获得的且在冷凝之后保持不凝结的气体形成的。
5.权利要求3的方法，其特征在于：引入热解反应器内的所述气体或气体混合物至少部分是由二氧化碳或一氧化碳形成的。
6.权利要求3的方法，其特征在于：引入热解反应器内的所述气体或气体混合物至少部分是由氮气或氮氧化物形成的。
7.权利要求3的方法，其特征在于：引入热解反应器内的所述气体或气体混合物至少部分是由烟道气形成的。
8.权利要求1的方法，其特征在于：将在200℃至900℃的温度下的砂粒装入所述热解反应器内。
9.权利要求1的方法，其特征在于：还用单独的热源加热所述热解反应器。
10.权利要求9的方法，其特征在于：通过外部加热来加热所述热解反应器。
11.权利要求10的方法，其特征在于：通过用来自流化床锅炉的烟道气从外部加热来加热所述热解反应器。
12.权利要求2的方法，其特征在于：使用基本上卧式的圆筒炉作为所述热解反应器。
13.权利要求12的方法，其特征在于：在热解期间旋转所述圆筒炉。
14.权利要求2的方法，其特征在于：使用旋风分离器作为分离器。
15.权利要求12的方法，其特征在于：使用充当热解反应器的卧式圆筒炉作为分离器。
16.权利要求14或15的方法，其特征在于：在冷凝器中冷凝在分离器中分离的气体组分，由此产生油，并且引导不凝结的气体以便在需要燃料的其他工艺中再利用。
17.一种处理纸浆厂黑液以回收其中的化学药品和能量的设备，其特征在于其包括：
-流化床锅炉，
-热解反应器，向其中装入黑液并在那里在基本上无氧的空间内热分解所述黑液，形成气体组分和固体物质，所述热解反应器中的温度是200℃至900℃，
-用于将从流化床锅炉中获得的砂粒装入热解反应器的装置，
-引导在所述热解反应器中形成的气体组分以便利用的装置，
-将砂粒与在热解反应器中形成的固体物质分离开的分离器，
-使分离的砂粒返回到流化床锅炉的装置，
-使分离的固体物质与水混合以使固体物质中的碳酸钠溶入水中的混合反应器，
-使碳酸钠-水溶液返回制浆工艺并使剩余的固体碳返回到流化床锅炉的装置。
18.权利要求17的设备，其特征在于：其包括将惰性的气体或气体混合物装入所述热解反应器的装置。
19.权利要求17或18的设备，其特征在于：其具有用于加热所述热解反应器的单独的热源。
20.权利要求19的设备，其特征在于：其具有安装成从外部加热所述热解反应器的单独的热源。
21.权利要求20的设备，其特征在于：使用所述流化床锅炉的烟道气作为所述单独的热源。
22.权利要求17的设备，其特征在于：使用基本上卧式的圆筒炉作为所述热解反应器。
23.权利要求22的设备，其特征在于：设置所述圆筒炉以使其绕其纵轴旋转。
24.权利要求17的设备，其特征在于：将所述热解反应器用作使在所述热解反应器中形成的气体组分和固体物质彼此分离的装置。
25.权利要求17的设备，其特征在于：使用分离器作为使在所述热解反应器中形成的气体组分和固体物质彼此分离的装置。
26.权利要求25的设备，其特征在于：所述分离器是旋风分离器。
27.权利要求17的设备，其特征在于其包括：冷凝器，在所述冷凝器中冷凝在所述分离器中分离的气体组分，由此产生油和不凝结的气体；和引导它们的装置以便在需要燃料的其他工艺中再利用。
28.权利要求17的设备，其特征在于：其包括在200℃至900℃的温度下将砂粒装入所述热解反应器中的装置。
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