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一种稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稻麦草烧碱法制浆黑液的气化碱回收的方法及装置，以下吸式固定床气化炉为反应器，以黑液干燥得到的黑液固形物而不是浓黑液进料使得气化效率和燃气品质大幅提高，且避免在炉中蒸发水分并且将蒸汽提高到炉子运行温度需耗费大量的能量，能量利用效率提高；以固态排渣，确保了安全性，运行温度既保证不出现熔融物，又具有较高的反应速率，且物料停留时间可根据炉排旋转速度任意控制，碱回收率可达到传统碱回收的102-105%。进入到溶液中的硅则有所减少，45-55%的硅在滤渣中除去。相比传统碱回收锅炉和国际上曾经发展的流化床、气流床气化炉，本发明工程造价大幅降低，操作也相对简单。

Description

一种稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收方法及装置
技术领域
本发明涉及制浆黑液固形物气化法碱回收技术领域，具体地说，是稻麦草烧碱法制浆黑液固形物基于气化原理的碱回收与能量回收方法和装置。
背景技术
由于林木资源有限，非木纤维一直是我国的主要制浆原料。根据中国造纸协会各年度的《中国造纸工业年度报告》及《中国造纸年鉴》，截至2012年末，中国非木浆在原生纸浆中的占比从未低于50%，稻麦草浆则占每年非木浆产量中的一半以上。草类原料具有纤维短、硅含量高等缺点，所谓“硅干扰”问题成为草类制浆的主要技术障碍，具体表现在：硅酸盐的存在导致浆料滤水性差，因而洗浆耗水量大，稀黑液浓度低；为避免蒸发器表面硅酸盐沉积导致结垢，黑液出蒸发站浓度一般不能超过50%（刘秉钺等，中国造纸，2012年；林文耀，纸和造纸，2010年）。
关于制浆黑液的处理当前最常用的设备是Tomlinson型碱回收锅炉，这是迄今为止国内外用于木浆黑液碱回收最为成熟的炉型。然而非木纤维黑液特别是稻麦草浆黑液由于前述“硅干扰”问题的影响，入炉燃烧往往需要辅助燃料；苛化白泥中混入硅酸钙后滤水性差不易洗涤，碱回收率很难超过90%，白泥也不宜煅烧回用，吨碱回收成本甚至达到木浆黑液碱回收的两倍之多。
我国造纸产业界关于稻麦草浆黑液的碱回收进行了许多研究，专利201210192441和98242211分别针对芦苇浆和麦草浆黑液的碱回收给出了相关的改进方法和装置。然而碱回收锅炉始终具有建设费用较高、规模效应显著的特点，应用于大型制浆厂具有较好的经济效益，应用于稻麦草浆厂由于规模较小则经济效益较差。
国际上关于新型碱回收工艺的研究主要集中在硫酸盐黑液的气化技术上，目的是改善安全性、提高热力学效率、减少污染物排以及提高黑液利用的附加值。可资借鉴的方案例如：⑴美国专利US7842110暨黑液低温水蒸气气化工艺。该工艺的核心是一台间接加热的鼓泡流化床，以过热蒸汽作为流化介质和气化剂。黑液被喷涂于床料上发生快速干燥和热解，残余的半焦被蒸汽流化并发生气化反应，固体物料在炉内的停留时间一般约需20小时。该技术的优点之一是制浆化学品以固体形式回收确保了安全性。为了保证流化床顺利运行，气化炉温度维持约610℃以使黑液无机物不致熔融。⑵美国专利US6790246暨高温气流床气化。黑液被空气或氧气从炉顶吹入反应器，产生的热量足以维持900℃以上的高温，在此温度下黑液无机物成为熔融物并采用水淬法收集。相比低温气化技术，此种高温气化工艺在有机碳气化速率上具有极大提高。高温熔融物对反应器衬里的腐蚀是该技术面临的一大挑战，对耐火材料的要求较高。
中国专利201010168377、201010168359、201010168347、201110257064主要针对硫酸盐木浆黑液给出了基于二氧化钛直接苛化技术的黑液气化碱回收方案。
以上气化方案对于稻麦草浆黑液而言，技术上仍过于复杂，操作困难，建设费用和运行成本较高，这对于近年来盈利能力整体欠佳的造纸行业来说，应用前景受限，因此行业内需要更为简单易行低成本的黑液回收方式。
过往的黑液气化方案的提出基本上全部基于流化床和气流床技术，这主要是考虑到黑液的原料特性：液体、无机物含量高且熔点低、粘性大、受热膨胀，由此引起的物料移动、卸料、气固接触就是必须解决的问题。然而从两种技术在国际上的发展程度来看并不成功。固定床在块煤或块状、颗粒状生物质气化领域具有诸多应用，具有造价低、操作简单等特点，但用于黑液的气化则几乎从未见到报导。本发明是为基于固定床技术的稻麦草烧碱法黑液固形物气化碱回收方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种以稻麦草浆黑液固形物为原料的下吸式固定床气化炉，此外，还将提供一种利用该下吸式固定床气化炉对稻麦草浆黑液固形物实施气化碱回收的方法。使用黑液固形物而不是浓黑液使得气化效率和燃气品质大幅提高，避免在炉中蒸发水分并且将蒸汽提高到炉子运行温度耗费大量的能量，使用废热干燥黑液将使能量利用效率得到提高，并且黑液干燥制粉是比较成熟的技术。
一般地，固态排渣固定床气化炉要求原料呈现块状以保证气流通过并且易于在床层中自由下落，具有较高的熔点以避免结渣，而这些特点都是黑液不具备的。黑液的主要无机物碳酸钠据文献资料记载其熔点为851℃，黑液无机物的其他少量组分如硅酸钠、钾盐等熔点均低于此值，黑液无机物的共熔物熔点约800℃，低于一般的生物质或煤固定床气化炉的最高运行温度。半焦层的透气性也是必须考虑的问题。此外，黑液受热分解阶段需要经历一个软化膨胀阶段，而处于这一阶段的黑液固形物粘性急剧增加，发生燃烧后体积开始缩小，最终由于大量无机物的存在，体积减量约50%，这些特点对炉内物料移动及卸料提出了严格要求。
本发明是通过以下技术方案予以实现黑液固形物的固定床气化的：
一种稻麦草浆黑液固形物气化方法，包括以下步骤：
a、黑液固形物被输送到下吸式固定床气化炉中作为原料，气化炉内原料顶端与气化炉顶部封盖内侧维持一个自由空间；
b、一次空气在原料顶端上方的自由空间进入下吸式固定床气化炉，气化炉上部属于热解层，热解层中的黑液固形物经历干燥、软化膨胀、脱挥发分过程，产生的挥发分与一次空气混合燃烧，控制热解层的温度不高于700℃，进料后15～20分钟开始搅拌1～3分钟，脱挥发分之后的黑液固形物形成黑液半焦；
c、下吸式固定床气化炉内热解层下方属于由黑液半焦形成的还原层，黑液半焦与还原层周向进入的二次空气发生缺氧燃烧，还原层还引入水蒸气，调节二次空气和水蒸气的的进入量使还原层温度保持850℃，以维持足够的气化反应速率并阻止熔融物的出现；
d、来自还原层的反应产物灰渣下行后被自动化机械炉排出到出灰室，出灰室灰渣经水溶解过滤除去沉淀，得到的水溶液送往苛化工段进行碱回收，含有焦油和飞灰的粗燃气经由燃气出口引出，其带走的显热可用于干燥浓黑液。
所述搅拌是通过设在下吸式固定床气化炉封盖上部中心位置的搅拌电机和贯穿整个炉膛的搅拌轴实现。
灰渣含有少量的有机炭，运行良好的情况下呈现白色，并具有疏松多孔的特性，固态灰渣溶于水后即可释放碳酸钠，未烧尽的炭连同不溶物被过滤除去，以碳酸钠为主的无机物水溶液送往苛化工段，苛化之后的工艺与传统碱回收完全相同，但是水溶液中的硅含量有所减少、可回收的碱有所增多，这无疑是一个优势。
本发明还提供一种稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收装置：带有搅拌装置的下吸式固定床气化炉，所述固定床气化炉主体为内衬普通耐火砖的圆形钢筒，圆形钢筒主体高度至少4000mm；所述固定床气化炉顶部封盖采用平板结构，内衬轻质隔热材料，封盖上部中心位置设有搅拌电机及减速机，封盖上部偏离中心的位置设有原料入口；所述减速机通过联轴器与搅拌轴联接，搅拌轴由电机驱动，且搅拌轴与气化炉圆筒同中心线，搅拌轴的长度贯穿整个炉膛，考虑受热伸长后不碰触炉底其他部件为宜；所述固定床气化炉炉壁距离封盖500mm内的周向均布至少4个空气入口，距离封盖1000～1500mm周向均布至少4个二次空气入口及至少4个蒸汽入口；所述圆形钢筒底部设有机械化炉排或出渣机，可采用大多数成熟的炉排，如链炉排、旋转炉排，亦可自行设计各种构型，亦可不使用炉排，直接使用螺旋卸料器或星型卸料器；燃气出口的位置根据炉排结构而布置，优选位于链式炉排或旋转炉排的下方，也可位于星型卸料器或螺旋卸料器的上方的圆形钢筒上；炉排或出渣机的下方连接有出灰室，所述出灰室跟溶解池连接。
所述搅拌轴上设有若干搅拌叶片，并设有沿炉膛内壁的至少一条纵向刮刀，以旋转不碰触炉膛耐火砖为原则。
所述搅拌器轴采用耐热钢或耐热铸铁制造。
所述原料入口跟输送机械例如螺旋输送机联接。
贯穿炉顶至炉排或卸料器上方设置的搅拌器的作用包括均匀分布物料避免烧偏和局部超温；破碎物料保持良好流动性和通气性；及时分散物料以弥补因物料燃烧收缩在炉膛内壁与床层之间产生的环形空隙，避免气流短路；刮掉粘结于炉膛内壁的物料。为避免处于不同反应阶段的物料发生串层、减少金属材料磨损，搅拌器应控制转速、启动频率和转动时长。
本发明的有益效果是：以下吸式固定床气化炉为反应器，以黑液干燥得到的黑液固形物而不是浓黑液进料使得气化效率和燃气品质大幅提高，且避免在炉中蒸发水分并且将蒸汽提高到炉子运行温度需耗费大量的能量，能量利用效率提高；以固态排渣，确保了安全性，运行温度既保证不出现熔融物，又具有较高的反应速率，且物料停留时间可根据炉排旋转速度任意控制，碱回收率可达到传统碱回收的102-105%。进入到溶液中的硅则有所减少，45-55%的硅在滤渣中除去。相比传统碱回收锅炉和国际上曾经发展的流化床、气流床气化炉，本发明工程造价大幅降低，操作也相对简单。
附图说明
图1是本发明固定床气化炉的总体示意图；
图2是图1中固定床气化炉出灰室的左视图；
图3是图1中固定床气化炉出灰室的俯视图；
图4是图1中固定床气化炉A-A断面的俯视图；
附图中：1一次空气入口；2圆形钢筒（炉壳）；3耐火材料；4热解层；5水蒸气入口；6二次空气入口；7还原层；8刮刀；9搅拌叶片；10备用燃气出口；11链炉排；12可燃气出口；13原料入口；14自由空间；15搅拌电机；16封头；17料位上限；18搅拌轴；19链炉排驱动轴；20出灰室；21溶解池；22清水；23滤渣；24送往苛化的碱液；25原料；26链炉排驱动电机。
具体实施方式
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
参照图1和图2。划定一条离气化炉顶部封盖约500mm距离的料位上限17，黑液固形物原料25经由原料入口13通过自由空间14落入炉膛中，即耐火材料3包围的区域，进料之后炉膛内的料位的高度始终控制不超过料位上限17。下吸式固定床气化炉上部属于热解层4，热解层4中的黑液固形物快速经历干燥、软化膨胀、脱挥发分等过程，挥发分与来自一次空气入口1的一次空气混合发生燃烧，因此自由空间14下方的料层有明显的火焰，重力对流及下行空气的综合作用使得火焰较短；一次空气占气化所需空气量的80%～100%，控制料位上限17以上的整个自由空间14的温度不高于700℃。搅拌电机15在进料后约20min后启动一次，此时黑液固形物已经度过了最粘稠的阶段，搅拌轴18转速约20r/min，旋转约2min后关闭搅拌电机15，搅拌轴18上的搅拌叶片9起到均布物料和切割结块的作用，确保温度均匀和通风顺畅，搅拌叶片9上的旋转刮刀8刮掉粘结于炉膛内壁的物料，避免物料挂于炉墙，同时避免形成环形空隙造成气流短路。
下吸式固定床气化炉内热解层下方属于由黑液半焦形成的还原层7。本层的温度控制通过来自水蒸气入口5的水蒸气和来自二次空气入口6的二次空气来实现，控制还原层7的温度低于850℃。水蒸汽对于黑液半焦的穿透作用优于空气，对于保持黑液半焦的疏松和不结渣具有良好作用，此外，水蒸汽还具有调变燃气组分的作用。
下行的物料至链炉排11处成为以碳酸钠为主的灰渣，温度约600℃，大体呈现白色并含有少许黑色未转化炭，链炉排11通过链炉排驱动轴19由链炉排驱动电机26驱动做横向移动将灰渣卸下，链炉排驱动电机26可间歇启动。灰渣经由出灰室20落入溶解池21，经由清水22溶解约20min后过滤除去滤渣23，澄清得到以碳酸钠为主的碱液24送往传统苛化工段。苛化之后的工艺与传统碱回收完全相同，但是水溶液中的硅含量有所减少、可回收的碱有所增多，这无疑是一个优势。热解气燃烧产生的气体、剩余一次空气、二次空气、水蒸气、焦油在还原层7与炭发生反应后形成最终的粗燃气继续下行，经由燃气出口12或备用燃气出口10引出收集并净化。出灰室20和链炉排11组成的整体出灰机构可以替换，例如替换为星型卸料器，此时由备用出口10将粗燃气引出收集并净化。粗燃气含有少量焦油和飞灰，温度约500℃，其带走的显热可用于浓黑液干燥。
利用黑液干燥得到的黑液固体而不是浓黑液来进料使得气化效率和燃气品质大幅提高，且避免在炉中蒸发水分并且将蒸汽提高到炉子运行温度需耗费大量的能量，能量利用效率提高。
具有下表组成特性的某厂麦草烧碱法制浆黑液固体，850℃灼烧灰分约40%，低位热值约11MJ/kg，自然堆积密度约300kg/m3。
某厂麦草浆黑液固体的组成特性表（wt%，干基）
按照本发明设计某气化炉，炉膛（耐火材料3包围的区域）高度4000mm，内径Φ1500mm，操作使气化炉的气化强度保持在600kg/(m2·h)，则本台炉的处理能力相当于25.4tds/d(吨固形物/天)，对于黑液日处理负荷一般为百吨固形物的稻麦草浆厂，可以采用多炉并列的建设方式。
以不通入水蒸气为例，产生可燃气的热值约4MJ/Nm3，气体产率约2Nm3/kg黑液固形物，冷煤气效率在70%以上，碱回收率可达到传统碱回收的102-105%。灰渣质量和体积均占据干基黑液原料的约50%，灰渣溶解过滤后可获得传统碱回收能够获得的全部碳酸钠，进入到溶液中的硅则有所减少，约45-55%的硅在滤渣中除去。

Claims (6)

1.一种稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收装置，其特征在于，包括带有搅拌装置的下吸式固定床气化炉，所述固定床气化炉主体为内衬普通耐火砖的圆形钢筒，圆形钢筒主体高度至少4000mm，所述固定床气化炉顶部封盖采用平板结构，内衬轻质隔热材料，封盖上部中心位置设有搅拌电机及减速机，封盖上部偏离中心的位置设有原料入口；所述减速机通过联轴器与搅拌轴联接，搅拌轴由电机驱动，且搅拌轴与气化炉圆筒同中心线，搅拌轴的长度贯穿整个炉膛，以受热伸长后不碰触炉底其他部件为宜；所述固定床气化炉炉壁距离封盖500mm内的周向均布至少4个空气入口，距离封盖1000～1500mm周向均布至少4个二次空气入口及至少4个蒸汽入口；所述圆形钢筒底部设有机械化炉排或出渣机或螺旋卸料器或星型卸料器；炉排或出渣机的下方连接有出灰室，所述出灰室跟溶解池连接；所述固定床气化炉底部还设有燃气出口；
所述搅拌轴上设有若干搅拌叶片，并设有沿炉膛内壁的至少一条纵向刮刀，以旋转不碰触炉膛耐火砖为原则。
2.根据权利要求1所述的稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收装置，其特征在于，所述燃气出口设在机械化炉排下方或星型卸料器或螺旋卸料器的上方的圆形钢筒上。
3.根据权利要求1所述的稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收装置，其特征在于，所述搅拌轴采用耐热钢或耐热铸铁制造。
4.根据权利要求1所述的稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收装置，其特征在于，所述原料入口跟输送机械联接。
5.一种稻麦草烧碱法制浆黑液固形物气化碱回收的方法，其特征在于，以权利要求1所述的下吸式固定床气化炉为反应器，以黑液干燥得到的黑液固形物作为原料，具体包括以下步骤：
a、黑液固形物被输送到下吸式固定床气化炉中做为原料，气化炉内原料顶端与气化炉顶部封盖内侧维持一个自由空间；
b、一次空气在原料顶端上方的自由空间进入下吸式固定床气化炉，气化炉上部属于热解层，热解层中的黑液固形物经历干燥、软化膨胀、脱挥发分过程，产生的挥发分与一次空气混合燃烧，控制自由空间的温度不高于700℃，进料后15～20分钟开始搅拌1～3分钟，转速20r/min，脱挥发分之后的黑液固形物形成黑液半焦；
c、下吸式固定床气化炉内热解层下方属于由黑液半焦形成的还原层，黑液半焦与还原层周向进入的二次空气发生缺氧燃烧，还原层还引入水蒸气，调节二次空气和水蒸气的进入量使还原层温度低于850℃，以维持足够的气化反应速率并阻止熔融物的出现；
d、来自还原层的反应产物灰渣下行后被机械化炉排排出到出灰室，出灰室灰渣经水溶解过滤除去沉淀，得到的水溶液送往苛化工段进行碱回收，含有焦油和飞灰的粗燃气经由燃气出口引出，其带走的显热可用于干燥浓黑液。
6.根据权利要求5所述的稻麦草烧碱法制浆黑液固形物的气化碱回收的方法，其特征在于，所述搅拌是通过设在下吸式固定床气化炉封盖上部中心位置的搅拌电机和贯穿整个炉膛的搅拌轴实现。
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