CN109690265A

CN109690265A - 用于黑液回收锅炉的沉积物控制

Info

Publication number: CN109690265A
Application number: CN201780048313.6A
Authority: CN
Inventors: C·R·斯迈尔尼奥蒂斯; I·萨拉托夫斯基; E·G·绍布; S·波伦
Original assignee: Fuel Tech Inc
Current assignee: Fuel Tech Inc
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2019-04-26
Also published as: WO2018026780A1; SE1950253A1

Abstract

本发明公开了一种用于减少黑液回收锅炉中的炉渣的方法，该方法包括：通过使黑液与第一空气和第二空气接触而在锅炉中注入并燃烧黑液；通过交错的、切向的或同心的第二、第三和/或第四空气端口将炉渣减少用化学物质引入注入位置上方的气体中。

Description

用于黑液回收锅炉的沉积物控制

技术领域

本发明涉及一种控制黑液回收锅炉中的炉渣和污垢沉积物的新技术，该技术利用作为制浆副产物产生的黑液来回收热量和制浆化学物质。

背景技术

纸张生产涉及用化学物质处理木头碎屑以将碎片消化成纸浆，所述纸浆用作造纸或溶解纸浆的原料。通过白液(即NaOH和Na₂S)进行的木头碎屑的消化产生了牛皮纸浆(通常称为脱木质素或纤维素纸浆)和称为黑液的黑色残余物，所述黑液是有机残余物和废纸浆消化剂化学物质的组合。据估计，生产1000吨牛皮纸浆可以形成1,500吨黑液。由于产生的大量废化学品和新鲜消化/制浆化学物质的相对高成本，黑液可以在回收锅炉中燃烧以产生热蒸汽并再生制浆化学物质以再循环回到制浆过程中。

通过用白液消化产生的纸浆被洗涤，并且废的消化化学物质被回收并再循环回到消化过程中。原始的制浆化学物质(即白液)可以在消化后通过从纸浆中分离黑液、从黑液中蒸发过量的水并在回收锅炉中烧掉黑液以产生热量和熔融物(即熔融钠盐，主要是Na₂CO₃和Na₂S)来再生。熔融物在锅炉底部形成并溶解在水中以产生“绿液”。澄清的绿液与氢氧化钙反应以将Na₂CO₃转化为NaOH(即苛性化)，以产生含有Na₂S和NaOH的白液。随后将白液再循环到消化器中。

蒸发后的黑液形成高粘度的黑色材料，所述黑色材料仅在高温下是液体。黑液中含有来自脱木素过程的有机残留物，因此，黑液具有热值并且可以在黑液回收锅炉中燃烧。黑液的无机部分主要由相对低熔点的钠盐组成，所述相对低熔点的钠盐主要为氢氧化钠、硫化钠、硫酸钠和碳酸钠的形式。由于钠盐的低熔点(通常<850℃)，燃烧黑液会导致熔融或气相钠盐在热交换表面上沉积(即，分别为结渣和结垢)。热交换器表面上的沉积降低了锅炉效率并最终导致堵塞和强制锅炉停机，导致纸浆生产损失。

黑液难以处理和烧掉，但工程经验已经确定它可以由各种设计的喷嘴喷射到黑液回收锅炉的燃烧区，所述各种设计包括喷溅板、旋流器、V型和啤酒罐式设计。喷洒物以正确的温度和液滴尺寸分布进入锅炉，以便最佳利用。喷嘴(通常称为“黑液枪”)穿过竖向锅炉壁，该锅炉壁位于焦炭床(也称为焦炭堆)上方并且理想地在第一和第二空气端口上方，但在第三和第四空气端口下方。喷嘴通常从相对的壁喷洒黑液，其液滴速度和动量足以使当液滴落到焦炭堆上时多数液滴达到锅炉的中间点以外，但是没有液滴到达相对的壁。一些挥发物在下降到焦炭堆中时被除去并且实现了一些碳化，但是在焦炭堆中在还原条件下发生黑液的主要燃烧(以促进Na₂SO₄还原为Na₂S)。第一空气在焦炭堆的大致高度处被引入并供应约40％或更少的化学计量氧。第二空气在黑液的喷射点下方被引入，并增加另外30％至50％的所需空气。高于黑液枪的高度处为附加空气端口，该附加空气通常是第三空气，有时是第四空气。这些附加空气端口对于提供足够的空气以完成燃烧过程和产生过程蒸汽至关重要。

通过回收锅炉上升的燃烧气体含有携带灰分形成剂(其冷却形成灰分)，所述携带灰分形成剂理想地在静电除尘器或其它固体回收设备中作为固体被回收。不幸的是，烧掉的黑液的灰分经常含有使其作为粘合剂物质的成分，直到它超过燃烧区顶部的牛鼻部并与一系列热交换器接触，例如那些形成筛管、过热器、锅炉件(或再加热件)和节能器的热交换器。夹带在烟道气中的粘合熔融和气态钠盐在较冷的热交换表面上冷凝，导致沉积。随着黑液回收锅炉运行，沉积物的形成继续增加，导致堵塞和危险的炉渣掉落，这导致锅炉停机和潜在的危险情况。例如，大的炉渣掉落可以刺穿筛管或使筛管破裂暴露并将水释放到焦炭床上。由于焦炭床处的还原性条件，水转化为氢气和氧气，这会造成严重的爆炸危险。保持黑液回收锅炉无沉积物对于保持安全的连续操作和使爆炸风险最小化至关重要。沉积物控制化学物质/添加剂和工艺是已知的，但以对黑液回收锅炉有效的方式引入它们总是一个挑战。自从第一台这样的锅炉制造出来以来，这个问题就已存在，并且只取得了一些成功，而且没有一个锅炉具有普遍的效果。

授予Smyrniotis等人的美国专利No.5,740,745中描述了一种用于在一些黑液回收锅炉中实现有效炉渣控制的成熟技术。然而，由于燃烧在黑液回收锅炉中发生的方式，似乎对引入炉渣控制化学物质有一套独特的要求。由于锅炉之间的内部结构变化，锅炉中的气体流动并不总是足够规则以允许准确且有效的计算流体动力学解决方案。在某些情况下，一些物理障碍物，例如内部支承桁架或梁(以及由于个别锅炉特有的原因而改装的其它结构)和传热异常不能可靠地建模。在多个层级引入空气可能会导致难以看到和难以解决的问题。此外，许多预测的解决方案需要在锅炉壁中形成开口，所述开口通常穿过水墙或其它困难的位置。因此，需要一种克服所述问题而仍能提供必要的一种或多种化学物质的方法。

需要一种改进的方法，其更有效地施加化学添加剂以控制黑液回收锅炉中的沉积物形成。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种控制黑液(black liquor)回收锅炉中的炉渣的新技术。

本发明的另一个目的是提供一种用于在锅炉壁的改变最小的情况下控制黑液回收锅炉中的炉渣的方法。

一方面，本发明提供了一种减少黑液回收锅炉中的沉积物的方法，该方法包括：在锅炉中注入(喷入，喷射)并燃烧(烧掉，烧灼)黑液，该步骤通过将黑液注入锅炉中并使该黑液在被收集到锅炉中靠近底部的焦炭床上之前与第一空气和第二空气相接触来进行；通过第二、第三和/或第四空气端口而将沉积物减少用化学物质(用于减少沉积物的化学品)引入黑液枪上方的气体中，所述第二、第三和/或第四空气端口经常以交错构型存在或者在锅炉壁的角落处(通常称为切向或同心空气样式)存在。

另一方面，提供了一种用于引入沉积物减少用化学物质的设备。

其它优选方面及其优点在下面的描述中阐述。

附图说明

当结合附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明并且其优点将变得更加显而易见，其中：

图1是一个实施方案的示意图，其示出了具有交错的第三和第四空气端口的黑液回收锅炉，通过该第三和第四空气端口引入减少沉积物的化学物质。

图2是根据本发明的用于沉积物减少用化学物质的喷嘴在空气端口中的一种布置的示意图。

具体实施方式

首先参考图1，图1是一个实施方案的示意图，显示了具有交错的第三和第四空气端口的黑液回收锅炉，通过该第三和第四空气端口可以引入沉积物减少用化学物质。图1示出了黑液回收锅炉10，其具有第一空气端口12、第二空气端口14、第三空气端口16和第四空气端口18。该锅炉具有四个竖向壁19，并且空气端口位于相对的竖向壁上。黑液被加热直至可流动并通过位于第二空气端口14上方但在第三空气端口16下方的喷嘴/黑液枪21被引入燃烧室20。重要的是，第二和第三空气端口16以所谓的交错方式布置，其中一个竖向壁上的每个端口相当于相对的竖向壁上的端口横向偏移，使得来自每个端口的空气能够跨越锅炉移动最大距离而不受到来自另一侧的空气的直接冲击。在其它布置中，空气端口可以为切向或同心构型，以促进化学物质在引入后与燃烧气体的混合。该实施例通过歧管22将大量空气输送到空气端口，以从位于第三空气端口中的喷嘴30(图2中最佳可见)携带沉积物减少用化学物质/添加剂的喷雾，并将它们引导穿过锅炉的截面，以用于在用于引入黑液和第一燃烧空气的喷嘴上方的区段中完全混合沉积物减少用化学物质。通过第三空气流的直接喷射大大增加了喷雾液滴的动量。

在类似的布置中，沉积物减少用化学物质可以通过第二空气端口14或第四空气端口18引入。在所描述的每种情况下，使用来自所述端口的空气流作为驱动器来实现类似的效果，以在牛鼻部(圆端部，bull nose)15之前在燃烧室20内提供优异的混合和分配。

图2是本发明的一个实施方案的示意图，其中示出了两相式沉积物减少用化学物质喷嘴30，它位于第三空气端口16中。喷射器优选地是两相喷射器，它利用经由管线32供应的空气来雾化经由管线34供应的炉渣减少用化学物质的含水浆料。也可以使用允许高度独立穿透和与燃烧室20中的热燃烧气体混合的其它喷嘴装置。所示出的是位于矩形管道36中的喷嘴30，所述矩形管道36定位在每个端口16中，优选地位于中央并且设置成接近于与管道的出口齐平。对于设计成每天燃烧1,000-2,000吨黑液的锅炉，通常会有4到8个第三管道，该第三管道的概略尺寸(approximate dimension)为4″(英寸)乘4″至18″乘18″，水平长度为从2英尺到12英尺。它们优选地沿炉壁横向地间隔开，以实现良好的空气分布。在实施例中，来自至少一半管道32的流将是塞流(plug flow)，这将有助于在充分穿透之前保护注入的化学物质免于过快分散，并允许空气将化学井(chemical well)运送到锅炉中。为了实现来自管道36的空气的塞流，可以理解，可以调节流量(流速)，使得液力直径不超过计算的平均速度。而且，在设计阶段，来自管道的空气速度的液力直径必须足以将来自喷嘴的沉积物减少用化学物质从喷射点投射跨越炉子的距离的60％至95％，例如60％至90％。

来自位于第三空气端口下方的每个喷嘴21的黑液的喷雾以正确的温度和液滴尺寸进入锅炉10的燃烧室20，以允许最佳利用。黑液的典型温度将为300°F至400°F，并且在撞击到喷嘴的喷溅板上之后液滴将处于0.5mm至5mm的范围内。来自喷射器的喷雾在焦炭床38的上方并且理想地在第一空气端口12和第二空气端口14的上方穿过竖向锅炉壁。喷射器通常从相对的壁喷洒黑液，其液滴速度和动量足以使当液滴落到焦炭床38时多数液滴超出锅炉的中间点，但是没有到达相对的壁。

燃烧室12中的升高的温度导致一些挥发物在黑液下落到焦炭床38中时被除去并且进行一些碳化，但是黑液的主要燃烧在焦炭堆中的还原条件下发生。第一空气在焦炭堆的大致高度(海拔)处被引入并且供应约40％或更少的化学计量的氧。第二空气在黑液枪下方被引入，并增加了另外30％至50％的所需空气。黑液喷射器上方是用于附加空气(例如，30％至50％)的端口，通常是第三空气，有时是第四空气。这些附加空气端口对于供应足够的空气以便在不过度冷却燃烧气体的情况下获得最大燃烧是必不可少的，所述燃烧气体是加热蒸汽以产生可利用的能量所需的。第四空气可包括所需空气的20％至50％。

通过锅炉上升的燃烧气体含有灰分形成剂(携带物和烟气)和未燃烧的焦炭，所述灰分形成剂和未燃烧的焦炭理想地在静电除尘器或其它固体回收设备—总体上标记为48—中作为固体回收。不幸的是，来自烧掉的黑液的灰分经常含有将其保持为粘性物质的组分，直到越过燃烧室20顶部的牛鼻部15并且在通过烟囱50离开燃烧器之前与一系列热交换器40接触，所述一系列热交换器例如为形成筛管、过热器42、锅炉件44(或再加热件)和节热器46的热交换器。沉积物控制化学物质和工艺是已知的，但是以有效处理黑液回收锅炉中的沉积物的方式引入它们总是一个挑战。自从第一台这样的锅炉制造出来以来，这个问题就已存在，并且只取得了一些成功，而且没有一台锅炉具有普遍的效果。

本领域一直致力于通过引入各种化学成分如氧化镁或氢氧化镁来解决渣化问题。氢氧化镁具有在炉子的热环境中存活并与沉积物减少用化学物质反应、提高其灰分熔融温度从而改变所得沉积物的质地和脆性的能力。

虽然包括所有有效的沉积物减少用化学物质，例如但不限于氧化镁、氢氧化镁、碳酸镁、氧化锰、氢氧化锰、氧化铝和氢氧化铝，但氢氧化镁是许多黑液回收锅炉的首选化学成分并将在本说明书中用作示例性的。氢氧化镁试剂可以以任何有效的方式制备，例如，从含有钙和其它盐的盐水，所述盐水通常来自地下盐水池或海水。将白云石石灰与这些盐水混合以形成氯化钙溶液，并将氢氧化镁沉淀并从溶液中滤出。这种形式的氢氧化镁可以与水—在有或没有稳定剂的情况下—混合，以到适合于储存和处理的浓度，例如25-65％的固体重量含量。为在该方法中使用，将其通过计算流体动力学(computational fluiddynamics,CFD)测定为稀释至0.1-10％、更窄地1-5％的范围内。当它接触燃烧器中的热气体时，一般相信它被减少成亚微米和/或纳米尺寸的颗粒，例如低于200纳米、优选低于约100纳米的颗粒。从50至约150纳米的中值粒径是本发明方法的有用范围。在必要或期望的情况下也可以使用其它形式的MgO，例如，当可用于期望的粒径范围内时，可以使用“轻燃烧”或“苛性”的氧化镁。

为了最好地实现这些效果，本发明优选利用CFD来设计初始流量和选择初始试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和试剂液滴动量。CFD是一种很好理解的学科，在这种情况下它被充分利用，其中需要提供最少量的化学物质以获得最大效果。

提供以下示例以进一步解释和说明本发明，并且不应将其视为任何方面的限制。除非另有说明，否则所有份数和百分比均以重量计。

示例1

该示例说明了将Mg(OH)₂(氢氧化镁)引入每天燃烧2000吨黑液的炉子中的效果。

对于所消耗的每吨黑液，将氢氧化镁以浆料的形式以60重量％浆料含2磅的方式加入。氢氧化镁浆料的密度为约12.7磅/加仑。因此，Mg(OH)₂浆料的进料速率约为每天315加仑。

我们已经看到，本发明提供至少以下优点：(1)第三空气保护了用于引入炉渣减少用化学物质的喷嘴，以防它受到炉子下部部分中的主要燃烧上方的区域中存在的温度的影响，(2)实现了极好的混合，并且(3)由于沉积物减少用化学物质通过就在热交换器之前的区域中到达锅炉的牛鼻部而与成渣剂混合的能力和良好混合，实现了沉积物减少用化学物质的高利用率。

以上描述是为了教导本领域普通技术人员如何实施本发明。它并未旨在详述所有的明显的修改和变化，这些修改和变化在阅读本说明书后对于技术人员而言将变得显而易见。然而，所有这些明显的修改和变化都包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。除非上下文明确指出相反的情况，否则权利要求旨在以任何有效实现预期目标的顺序覆盖所要求保护的部件和步骤。

Claims

1.一种用于减少黑液回收锅炉中的沉积物的方法，该方法包括：通过将黑液注入锅炉中并使之在被收集到锅炉底部附近的焦炭床上之前与第一空气和第二空气接触来在锅炉中注入并燃烧黑液；通过交错的、切向的或同心的第二、第三和/或第四空气端口将沉积物减少用化学物质引入到黑液注入位置上方的气体中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过交错的第二空气端口将沉积物减少用化学物质注入到黑液注入位置上方的气体中。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，第二空气占被供给用于燃烧的空气的30-50％。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过交错的第三空气端口将沉积物减少用化学物质注入到黑液注入位置上方的气体中。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，第三空气占被供给用于燃烧的空气的30％至50％。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过交错的第四空气端口将沉积物减少用化学物质注入到黑液注入位置上方的气体中。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，第四空气占被供给用于燃烧的空气的20-50％。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积物减少用化学物质包括一成分，该成分选自下列组：氧化镁、氢氧化镁、碳酸镁、氧化锰、氢氧化锰、氧化铝和氢氧化铝。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，来自这些空气端口的流是塞流。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，设有4至8个第二、第三或第四管道，所述管道的概略尺寸为4″×4″至18″×18″，水平长度为2英尺至12英尺。

11.一种用于引入沉积物减少用化学物质的设备，该设备被提供用于实施根据权利要求1所述的方法。

12.一种用于将沉积物减少用化学物质引入黑液锅炉中的设备，包括：

a.多个相对的、交错的、切向的或同心的第二、第三或第四管道；

b.用于在第一空气管道上方的位置注入黑液的多个喷嘴；

c.定位于所述管道的至少四个中的多个喷嘴，以用于将沉积物减少用化学物质注入到用于注入黑液的注入位置上方的气体中。

13.根据权利要求12所述的用于将沉积物减少用化学物质引入黑液锅炉中的设备，其中，这些管道用于第二空气端口。

14.根据权利要求12所述的用于将沉积物减少用化学物质引入黑液锅炉中的设备，其中，这些管道用于第三空气端口。

15.根据权利要求12所述的用于将沉积物减少用化学物质引入黑液锅炉中的设备，其中，这些管道用于第四空气端口。

16.根据权利要求12所述的用于将沉积物减少用化学物质引入黑液锅炉中的设备，其中，第二、第三或第四空气端口的概略尺寸为4″×4″至18″×18″，水平长度为2英尺至12英尺。

17.根据权利要求12所述的设备，其中，来自这些空气端口的流是塞流。