ES2409332T5

ES2409332T5 - Procedimiento de producción de energía en un molino de pulpa

Info

Publication number: ES2409332T5
Application number: ES03725232.7T
Authority: ES
Inventors: Kari Saviharju; Jorma Simonen; Lasse Koivisto; Olli Arpalahti
Original assignee: Andritz Oy
Current assignee: Andritz Oy
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: CN1653228A; JP2005525526A; BRPI0301313B1; AU2003227784A1; ES2409332T3; EP1504154B2; CA2484718A1; CN1309901C; WO2003095738A1; BR0301313A; US20040011484A1; CA2484718C; EP1504154A1; EP1504154B1; PT1504154E

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento de produccion de energfa en un molino de pulpa

En los molinos de pulpa quimicos, primero se extrae la corteza de la madera de los troncos, tras lo cual la madera restante se corta en astillas y se procesan quimicamente (cocinan) en fibras. La lignina y algun material de hidratos de carbono se disuelven de las astillas de madera durante la coccion en licor de coccion alcalino. La lignina y el material de hidratos de carbono y los componentes del licor de coccion forman un licor residual denominado licor negro. El rendimiento de la madera a fibra es, generalmente, menos del 50 % y, habitualmente, del 46 al 48 %. Despues de la coccion, los productos quimicos se recuperan del licor negro mediante ignicion del licor negro en una caldera de recuperacion solo o junto con otras corrientes “residuales”. El proceso de ignicion en la caldera es exotermico y la energfa liberada se recupera como vapor supercalentado presurizado. La energfa del vapor se recupera en una turbina de vapor para producir potencia electrica y vapor de baja presion para otras necesidades del proceso de la pulpa.

El licor negro y otras corrientes “residuales” se han reconocido como combustibles de biomasa, que son fuentes alternativas de combustible. Dichas fuentes alternativas de combustible reducen la necesidad en un molino de pulpa para combustibles convencionales, tales como carbon y aceite, y, de este modo, reducen la cantidad de gases de invernadero producidos por la produccion de energfa usando combustibles convencionales. Los combustibles de biomasa se pueden usar para proporcionar vapor a una presion y temperaturas vivas altas, que es una ventaja para la eficiencia de generacion de energfa.

Tradicionalmente, la energfa se produce en un molino de pulpa mediante la combustion del licor negro en una caldera de recuperacion y los residuos de madera y la corteza en una caldera auxiliar (vease, por ejemplo, el documento US 5 509 997). La corteza del material bruto de la madera y la sustancia organica del licor negro generado, juntos, normalmente suministran toda la demanda de energfa del molino de pulpa. Si se necesita mas energfa en el molino de pulpa se puede adquirir combustible adicional. El combustible adicional se combustiona con la corteza de madera en la caldera auxiliar. Convencionalmente, la energfa se produce en un molino de pulpa del siguiente modo: una caldera de recuperacion y una caldera auxiliar, en las que la corteza de la madera residual del molino combustiona para generar vapor supercalentado a alta presion. El vapor generado se hace pasar por una(s) turbina(s) de vapor a retropresion y el vapor liberado se usa para proporcionar calor para el molino. La turbina y un generador conectado a la misma producen la electricidad necesaria para alimentar el molino.

La madera contiene cantidades pequenas de potasio (K) y cloro (Cl). Estos elementos permanecen en el licor negro durante la coccion. En la caldera de recuperacion, estos elementos estan enriquecidos en las cenizas volantes e incrementan la corrosividad del gas de combustion especialmente en el supercalentador. La corrosividad del Cl y el K aumenta con la temperatura. La corrosividad del Cl y el K impone un limite superior de temperatura en el vapor generado en la caldera de recuperacion. Este limite para el vapor supercalentado normalmente es de 400 a 490 °C segun el contenido de cloro y potasio. Con materiales especiales o con licores que tienen un contenido muy bajo de Cl y K, se han usado temperaturas del vapor hasta 520 °C. Dado que la corrosividad del Cl y el K suele requerir mantener la temperatura del vapor supercalentado relativamente baja, la presion del vapor tambien es baja. Estas limitaciones de temperatura dan lugar a un rendimiento bajo de energfa a partir del calor generado en la caldera de recuperacion, en comparacion con las calderas de energfa normales impulsadas por carbon, gas natural o petroleo.

Estas limitaciones de temperatura en el vapor en una caldera de recuperacion no son tan estrictamente validas con la corteza que se origina de troncos, pero las cenizas volantes de la combustion de la corteza en una caldera para corteza tambien pueden contener cloro y potasio. Dado que el contenido en azufre es muy bajo, el potasio reacciona en la caldera para corteza con el cloro y forma KCl, que, a su vez, puede tener como resultado la corrosion del supercalentador. El flujo calorimetrico en la corteza es tambien muy inferior en el flujo de licor negro (’’residual”), debido al muy inferior flujo de masa.

Se desarrollaron nuevos ciclos de potencia para reemplazar la caldera de recuperacion tradicional y se ha estudiado el ciclo de vapor de la turbina y la gasificacion presurizada del licor “residual” y la corteza parece tener prometedoras posibilidades. No obstante parece necesario mucho mas desarrollo antes de que estas tecnologias tengan la fiabilidad y el rendimiento necesarios. La gasificacion atmosferica de la madera y la corteza en gasificadores de lecho fluidificado ha estado comercializada desde 1983 en los molinos de pulpa para producir gas combustible para usar en hornos de recocido de cal como sustitutos de los combustibles fosiles. No obstante, en la medida que se conoce, no se han desarrollado procedimientos eficientes para aumentar la temperatura y la presion de vapor supercalentado producido en una planta de caldera de recuperacion de un molino de pulpa de un modo tal que no se produce corrosion o la tasa de corrosion esta a niveles aceptables. De acuerdo con esto, existe desde hace tiempo una necesidad de un procedimiento para incrementar el rendimiento de energfa en la produccion de energfa en un molino de pulpa sin problemas de corrosion y, al mismo tiempo, minimizar la necesidad de combustibles fosiles en los molinos de pulpa.

En una primera realizacion de la invencion, el vapor se calienta en una caldera de recuperacion a un grado tal que no se produce la corrosion a alta temperatura. El vapor se calienta a una temperatura inferior a 520 °C y, optimamente, entre 480 y 500 °C. Despues, el vapor se sobrecalienta hasta 500 a 600 °C (y, optimamente hasta 520

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a 560 °) en un(os) supercalentador(es) en un proceso de combustion especial en el que se quema el combustible limpio para evitar la corrosion a temperatura elevada. El combustible limpio se genera mediante gasificacion usando un combustible basado en madera.

La presente invencion es un procedimiento de produccion de energia en una pulpa de acuerdo con la reivindicacion 1.

La invencion puede gasificar atmosfericamente combustibles solidos basados en madera, tales como madera, astillas de madera, astillas de corteza, madera triturada, virutas de carpinteria, serrin, residuos forestales basados en madera, usando un procedimiento de gasificacion que se sabe que produce un gas combustible. Estos gases combustibles se queman, al menos en parte, en una caldera de sobrecalentamiento aparte y se usan para sobrecalentar el vapor producido en una caldera de recuperacion.

En una realizacion adicional de la invencion, la temperatura del vapor saturado y/o parcialmente supercalentado producido por el supercalentador de la caldera de recuperacion esta limitada a un nivel al cual no tiene lugar la corrosion de la caldera o la tasa de corrosion es aceptablemente baja. La temperatura limite depende de las condiciones de corrosion en la caldera de recuperacion. En condiciones escandinavas, el limite de temperatura esta en un intervalo de, normalmente, 480 a 500 °C. En la practica, el intervalo del limite de temperatura de corrosion es amplio, por ejemplo de 400 a 520 °C, por las variaciones de los niveles de Cl y K en el licor negro y las cenizas volantes resultantes y el denominado "arrastre", que es un tipo de ceniza volante que contiene hollin. La etapa de sobrecalentamiento final se produce en un supercalentador aparte, en el que la temperatura del vapor alcanza el nivel final habitualmente a 450 a 600 °C, preferentemente de 500 a 560 °C y, mas preferentemente, de 530 a 560 °C. Dependiendo del desarrollo de los materiales del supercalentador, una temperatura tan elevada como de 600 °C puede ser un limite aceptable.

El gas combustible generado del material de madera contiene compuestos alcalinos, tales como compuestos de sodio y de potasio, y compuestos que contienen cloro, que pueden formar compuestos de cloro alcalino tales como NaCl y KCl. Los compuestos de cloro alcalino pueden producir corrosion a las temperaturas elevadas que prevalecen en el supercalentador. El gas combustible de la gasificacion de la corteza o de la madera se puede hacer no corrosivo anadiendo azufre o gas que contiene azufre, tal como gases no condensables de la coccion o extraccion del condensado de desecho, y mediante la inyeccion de petroleo que contiene azufre en el flujo del gas combustible del gasificador. Otra tecnica para reducir la corrosividad del gas combustible es quemar los combustibles que contienen azufre mencionados anteriormente en quemadores de gas de la caldera de sobrecalentamiento. La limpieza para eliminar el polvo alcalino de gas combustible antes de la combustion en el supercalentador tambien deberia proporcionar condiciones no corrosivas a temperaturas del metal mas altas en el supercalentador. Parte del gas combustible se puede usar en un horno de cal para sustituir los combustibles fosiles como petroleo y gas, lo que tiene como resultado una mejora en el equilibrio de los gases de invernadero del molino.

De acuerdo con otra realizacion de la invencion se proporciona un sistema de produccion de energia en un molino de pulpa. El sistema comprende: una caldera de recuperacion que tiene un horno para la combustion de licor negro para producir gases de combustion; superficies termicas en la caldera de recuperacion para recuperar calor de los gases de combustion para generar vapor; una caldera de sobrecalentamiento conectada a las superficies termicas de la caldera de recuperacion para introducir el vapor en la caldera de sobrecalentamiento; un gasificador para gasificar el combustible solido de madera, tal como corteza, para producir un gas combustible, y un conducto para suministrar el gas combustible desde el gasificador a la caldera de sobrecalentamiento para quemar el gas en la misma.

Por medio de la invencion se pueden alcanzar varias ventajas, incluidas (sin limitaciones) las siguientes:

A. Aumentando la presion y la temperatura de operacion del vapor recuperado del proceso de recuperacion de licor residual por medio de la caldera de sobrecalentamiento, se mejora la eficiencia electrica global de la planta y se genera mas electricidad mediante el calor recuperado en el vapor; y

B. Al usar corteza u otros residuos de la madera como fuente de calor no se generan emisiones de dioxido de carbono, al contrario que en las situaciones en las que se usan combustibles fosiles, como gas natural o petroleo de combustible pesado. Como se sabe, un molino de pulpa moderno se autoabastece con respecto a la energia, incluso cuando no se usan corteza y los correspondientes residuos de madera. La presente invencion permite el uso de toda o parte de la corteza de madera producida en un molino de pulpa.

A continuacion, la invencion se describe con mas detalle con referencia a la Figura 1 adjunta, que es un diagrama esquematico de una unidad para recuperar energia de licor residual en un molino de pulpa.

La FIGURA 1 ilustra una unidad para recuperar energia a partir de licor residual que comprende un gasificador 10, una caldera 14 de recuperacion de licor residual, una seccion 16 de recuperacion de calor conectada a la misma, una caldera 18 de sobrecalentamiento aparte, una turbina 20 de vapor, un generador 22 y un horno 24 de recocido de cal. El licor negro se rocia a traves de boquillas 26 en la caldera 14 de recuperacion. El aire de combustion se suministra a la caldera de recuperacion a traves de las lineas 28 a varios niveles de la caldera. La materia inorganica fundida (un producto de la combustion del licor negro) fluye a traves de un lecho 30 de carbon acumulado sobre la

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parte inferior de la caldera de recuperacion y hacia una salida 32 que descarga en un tanque de disolucion (no mostrado).

En la caldera 14 de recuperacion y en la seccion 16 de recuperacion de calor, el calor se recupera de los gases de combustion vaporizando las superficies 34 y los precalentadores 36 de agua. Los gases de combustion se descargan de la caldera a traves de un conducto 38. El vapor puede calentarse parcialmente en la caldera de recuperacion mediante las superficies 40 de sobrecalentamiento.

Es preferente secar el material de madera que se va a gasificar. Los gases generados de la madera seca contienen mas componentes combustibles que los gases producidos a partir de madera humeda. Una porcion mas alta de combustibles en los gases aumenta la eficiencia de la combustion. La madera puede secarse mediante los gases combustibles de la caldera de recuperacion o un horno de recocido de cal. Por ejemplo, la corteza de madera se puede secar con gases combustibles de un horno de recocido de cal. Dicho proceso de secado se describe en la patente de EE.UU. n.° 5.103.743, que se incorpora en el presente documento por referencia.

El combustible de madera seca, tal como la corteza, se suministra a traves de una linea 12 a la etapa de gasificacion 10, que puede ser un gasificador de lecho fluido circulante (GLF). Tambien pueden ser aplicables otros gasificadores bien conocidos. El gas combustible generado en el gasificador fluye a traves de una linea 44 a la caldera 18 de sobrecalentamiento. No obstante, una porcion de gas combustible puede fluir a traves de la linea 46 al horno 24 de recocido de cal.

La corrosion de las superficies 48 termicas en la caldera de sobrecalentamiento se reduce mediante la combustion adicional de combustible sulfuroso, preferentemente gases no condensables de la planta de coccion y/o del proceso de extraccion del condensado de desecho. El combustible sulfuroso se suministra a traves de la linea 54 y se anade al flujo de gas combustible en la linea 44 o en los quemadores 56. El azufre reacciona con alcali en el gas combustible para prevenir o reducir la formacion de los compuestos de cloro alcalino, que podria, si se pueden formar, producir corrosion en la caldera de sobrecalentamiento, especialmente a temperaturas altas.

La adicion de azufre a los combustibles para inhibir la corrosion es un procedimiento barato, sencillo y, por tanto, puede ser un procedimiento usado principalmente para reducir la corrosion en la caldera. Aunque se pueden usar otros procedimientos de inhibicion de la corrosion conocidos y mas eficientes, dichos procedimientos generalmente requieren la purificacion del gas de combustion. Los dispositivos de purificacion aumentan los costes de capital de la planta de pulpeo. El gas combustible del gasificador 10 se puede purificar en una unidad 42 de purificacion y, despues, fluir a la caldera 18 de sobrecalentamiento o al horno 24 de recocido de cal. La unidad de purificacion extrae del gas los componentes alcalinos, que son perjudiciales en los posteriores procesos de reduccion de la corrosion. El aire de combustion se suministra a la caldera de sobrecalentamiento a traves de una linea 46. La combustion en el supercalentador 18 normalmente se completa con exceso de aire optimizado, pero tambien es posible la combustion estequiometrica o reductora, y puede ser preferible en algunas aplicaciones.

Las superficies 48 de sobrecalentamiento se disponen en la caldera de sobrecalentamiento para sobrecalentar el vapor saturado y/o parcialmente supercalentado procedente de la caldera de recuperacion a traves de los conductos 52 de vapor. El vapor supercalentado se conduce a traves de una linea 50 a la planta de turbina de vapor. Una turbina 20 y el generador 22 en la planta producen energia electrica.

Los gases emitidos de la caldera 18 de sobrecalentamiento se introducen en la caldera de recuperacion, preferentemente en la entrada del supercalentador 40, en el que se mezclan con la corriente principal de gas de combustion procedente del horno de la caldera. Otras localizaciones posibles de las entradas para los gases emitidos incluyen toda el area desde la parte inferior del horno hasta la entrada del economizador 16. Los gases emitidos se pueden introducir a traves de las lineas 58 y 28 en el horno.

Los gases de combustion de la caldera 18 de sobrecalentamiento se pueden usar para conformar un patron de flujo del gas de combustion, desde el horno 15 de la caldera de recuperacion sobre la “nariz 17 de toro” para mejorar la distribucion del gas y la transferencia de calor a los supercalentadores, o para generar condiciones requeridas para el control de las emisiones, como la ventana de temperatura optima para una reduccion no catalitica selectiva (SNCR) para reducir las emisiones de NO, o para reducir el tamano de las particulas a particulas finas (tamano inferior a 2,5 micrometros). Otra posibilidad es usar estos gases de combustion para conformar el patron de flujo en el horno 15 para mejorar la mezcla, introduciendo, por ejemplo, estos gases a traves de puertos localizados en vertical, como se describe en la patente europea 668.983 (incorporada en el presente documento por referencia), en lugar de aire o de mezclarse con aire.

La combustion en la caldera 18 de sobrecalentamiento tambien se puede realizar en condiciones subestequiometricas. Los gases reducidos generados de este modo se pueden introducir en los gases de combustion desde el horno 15 para reducir las emisiones de oxido de nitrogeno en los gases de combustion procedentes del horno. Se sabe que ciertos combustibles son mas eficaces que otros en el recocido para reducir el contenido de oxidos de nitrogeno en los gases de combustion procedentes del horno de una caldera de recuperacion. Los combustibles de recocido tambien se pueden introducir en los flujos de gases de combustion desde la caldera de sobrecalentamiento para mejorar la mezcla de gases.

No se pretende que la invencion este limitada a la realizacion ilustrada y descrita con anterioridad, sino que se puede modificar y variar dentro del alcance y el esprntu de la invencion, como se define en las reivindicaciones siguientes. Por ejemplo, tanto la gasificacion como el sobrecalentamiento se pueden llevar a cabo a una presion elevada, de modo que se alcanzan las ventajas generales de una planta presurizada.

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REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de produccion de energia en un molino de pulpa que tiene un gasificador, una caldera de recuperacion y una caldera de sobrecalentamiento, comprendiendo dicho procedimiento:

a) la combustion del licor residual procedente de un proceso de pulpeo en un horno de la caldera de recuperacion para generar gases de combustion;

b) recuperar calor de los gases de combustion para producir vapor en la caldera de recuperacion;

c) gasificar un material solido basado en madera en un gasificador para producir un gas combustible,

d) quemar al menos parte del gas combustible en la caldera de sobrecalentamiento, en la que se quema el combustible que contiene azufre con el gas combustible, y

e) alimentar el vapor de la caldera de recuperacion a la caldera de sobrecalentamiento y sobrecalentar el vapor en la caldera de sobrecalentamiento para producir vapor supercalentado.
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el vapor se sobrecalienta hasta una temperatura en un intervalo de 450 a 600 grados centigrados.
3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el vapor se sobrecalienta hasta una temperatura en un intervalo de 500 a 560 grados centigrados.
4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el vapor se sobrecalienta hasta una temperatura en un intervalo de 530 a 560 grados centigrados.
5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que ademas comprende la limpieza del gas combustible de la etapa (c) antes de la etapa (d).
6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el combustible que contiene azufre es un gas no condensable generado por el molino de pulpa.
7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que quemar el gas combustible se efectua en condiciones supraestequiometricas.
8. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los gases de combustion se generan en la etapa d) y los gases de combustion fluyen hacia un horno de la caldera de recuperacion.
9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que los gases de combustion fluyen al horno de la caldera de recuperacion para aumentar la mezcla de gases en el horno.
10. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1-6, en el que quemar los gases combustibles se realiza en condiciones subestequiometricas y los gases de combustion se generan y fluyen hacia un horno de la caldera de recuperacion.
11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que los gases de combustion generados en la etapa d) se mezclan con los gases de combustion generados en la etapa a).
12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que una porcion del gas combustible se quema en un proceso de recocido con cal.
13. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material solido basado en madera se seca antes de la gasificacion.
14. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material solido basado en madera es corteza.