FI71787B - Foerfarande och anordning foer tillvaratagande av vaerme och kemikalier fraon avlutar fraon cellulosaframstaellning - Google Patents

Description

1 71787

Menetelmä ja laite lämmön ja kemikaalien talteenottami-seksi sellutuksen jäteliemistä Tämä keksintö liittyy menetelmään ja laitteeseen, 5 joilla otetaan talteen energiaa ja kemikaaleja sellutuksen jäteliemistä. Jäteliemiä, joista energia ja kemikaalit tulee ottaa talteen, syntyy kun lignoselluloosamateriaaleja, kuten puuta, keitetään selluksi.

Kaupallisesti arvokkaita prosesseja lignoselluloosa-10 materiaalien, tavallisesti puuhakkeen, muuttamiseksi kemiallisesti massaksi kutsutaan tavallisesti sulfaattiprosessiksi, soodaprosessiksi ja sulfiittiprosessiksi. On myös olemassa kuidutusprosesseja, joissa käytetään kemiallisten ja mekaanisten prosessien yhdistelmää, ja näitä prosesseja kutsutaan 15 joskus puolikemiallisiksi tai kemiallismekaanisiksi kuidutus-prosesseiksi. Näissä prosesseissa käytetään joitakin samoja kemikaaleja kuin sulfaatti-, sooda- ja sulfiittiprosesseissa.

Johtuen useista syistä on suosittu kemiallinen kuidu-tusprosessi sulfaattiprosessi, joka käsittää sopivasti 20 pienennetyn lignoselluloosamateriaalin, esimerkiksi puu- hakkeen, keittämisen tai kuiduttamisen vesipitoisessa alkaa-lisessa natriumhydroksidi-, natriumkarbonaatti- ja natrium-sulfidiliuoksessa. Normaalisti tapahtuu prosessi keitto-kattilaksi kutsutussa paineastiassa, jossa se sisältö 25 lämmitetään lämpötilaan noin 160-180°C noin 1-3 tunnin ajaksi. Keitto- tai kuidutusvaiheen jälkeen erotetaan keitto-lipeä massasta ja käsitellään uudelleen kemikaali- ja energiasisällön talteenottamiseksi. Johtuen sen tummasta väristä kutsutaan jät.elientä sulf iittikeiton mustalipeäksi.

30 Sulfiittiprosessissa keitetään tai kuidutetaan sopi vasti pienennettyä lignoselluloosamateriaalia happamassa rikkidioksidivesiliuoksessa yhdessä kemikaalien kanssa, joissa on kalsium-, magnesium-, natrium- tai ammoniumioneja. Vesipitoinen liuos käsittää sen vuoksi rikkihapoketta, 35 sulfiittia ja bisulfiitti-ioneja. Keittämisvaihe kestää 6-8 tuntia, jona aikana lämpötila on noin 140°C. Tämän 2 71787 prosessin muunnoksessa voidaan tehdä keittolipeä neutraaliksi tai lievästi alkaliseksi. Jäteliemen talteenotto on suoritettu käyttämällä useita eri menetelmiä. Yleensä on osoittautunut, että sulfiittiprosessissa jäteliemen kemi-5 kaalisisällön talteenotto on vaikeampaa kuin sulfaatti-prosessin mustalipeiden kemikaalien talteenotto. Tämä on merkittävä syy siihen, miksi sulfaattiprosessia suositaan sulfiittiprosessin kustannuksella lignoselluloosamateriaa-lia kuidutettaessa.

10 Perinteisessä talteenottoprosessissa sulfaattikeiton mustalipeää varten on käytetty niinsanottua Tomlinsonin talteenottokattilaa. Tässä kattilassa toimii väkevöity musta-lipeä polttoaineena lämmön aikaansaamiseksi yleisprosessille. Palamisprosessi kehittää, orgaanisten aineiden polttamisesta 15 syntyvän lämmön lisäksi, epäorgaanista kemiallista ainetta sisältävän sulan, joka käsittää natriumkarbonaattia ja natriumsulfidia. Uuniprosessi käsittää olennaisesti kaksi vaihetta, ensimmäisen polttovaiheen, jossa epäorgaaninen suolajäännös sisältää natriumkarbonaattia ja natriumsulfaattia, 20 ja toisen pelkistysvaiheen, jossa sulfaatti pelkistetään sulfidiksi. Pelkistysvaiheesta peräisin oleva sula liuotetaan veteen, niin että syntyy niinsanottua viherlipeää, jota sitten käsitellään kalkilla, jotta osa natriumkarbonaatista muuttuisi natriumhydroksidiksi liuoksen muuttami-25 seksi valkolipeäksi, sen jälkeen, kun kalsiumkarbonaatti on erotettu. Valkolipeää voidaan sitten käyttää tulevissa kuidutusvaiheissa, sen jälkeen kun kuluneet komponentit on täydennetty.

Tomlinsonin talteenottouuni ei useistakaan syistä 30 ole ihanteellinen ratkaisu sulfaattikeiton jätelienten ja kemikaalisisällön talteenottoon. On olemassa vaara vakaville räjähdyksille, jos vesi vahingossa pääsee kosketukseen sulien epäorgaanisten suolojen kanssa. Energian talteenotto on rajoitettua, kun käytetään Tomlinsonin talteenottouunia.

35 Pelkistettyjen rikkiyhdisteiden poisto ilmaan edellyttää laajaa hajunvalvontaa ja prosessin fysikaalisten ja kemial- 3 71787 listen toimintojen erillinen valvonta ei ole mahdollista, koska sekä hapetus että pelkistys tapahtuvat samassa säiliössä, lähellä toisiaan.

Huolimatta siitä, että nykyisiin talteenottojärjes-5 telmiin on sijoitettava pääomaa, ei ole yllättävää, että paperiteollisuus tutkii vaihtoehtoisia talteenottomahdolli-suuksia. Eräs sellainen vaihtoehto on kiinteiden aineiden monivaiheinen leijukerrostalteenottojärjestelmä, jota on kuvattu US-patentissa 4 303 469. Esillä oleva keksintö tar-10 joaa vielä muita vaihtoehtoja Tomlinsonin talteenottojärjestelmään ja -laitteeseen sekä US-patentissa 4 303 469 selitettyihin talteenottoprosesseihin ja laitteeseen. Mainitun patentin mukaisessa talteenottojärjestelmässä väkevöity jäteliemi poltetaan leijukerrosreaktorissa, jossa käytetään 15 monivaiheisia inerttisiä kiinteäainekomponentteja, joista yhtä voidaan kutsua hienojakoiseksi ja toista karkeaksi. Jäteliemi syötetään ensimmäisen leijukerrosreaktorin pohjaan, jossa reaktorissa myös on useita inerttisiä kiinteäaine-hiukkaskomponentteja ja johon syötetään riittävästi ilmaa 20 ylläpitämään palamista suurimmassa osassa, mutta ei kaikessa, orgaanisessa aineseoksessa, jota väkevöity jäteliemi sisältää. On toivottavaa, että vain 80-90 % hiilipitoisuuteen perustuvasta materiaalista palaa ensimmäisessä leijukerroksessa. Suurin osa hienojakoisista kiinteäainekomponenteista, tar-25 kemmin sanottuna hienojakoisemmasta osasta mainittuja inerttisiä hienojakoisia kiinteitä aineita, samoin kuin palamis-kaasut ja ensimmäisestä kerroksesta peräisin oleva palamaton materiaali, poistetaan leijukerrosreaktorin yläosasta ja suurin osa inerttisistä kiinteäaineista erotetaan kaasujen 30 seoksesta ja jos tarpeellista, poltetun jäteliemen palamattomista kiinteäaineista.

Koska ensimmäisessä kerroksessa palaminen on edellä selitetyllä tavalla epätäydellistä on tarkoituksena saada palamatonta hiilipitoista materiaalia, joka toimii pelkisti-35 menä muutettaessa jäteliemen alkupoltossa syntynyt sulfaatti sulfidiksi.

4 71787

Erotetut inerttiset kiinteät aineet siirretään sitten yhteen tai useampaan leijukerrokseen, jotka toimivat ulkopuolisina kattiloina. Tässä yksikössä tai näissä yksiköissä voi edullisesti olla upotetut lämmönvaihtoputket ja 5 höyry voidaan kehittää kiinteiden aineiden lämpösisällöstä. Ulkopuolinen kattila tai ulkopuoliset kattilat poistavat merkittävän osan siitä jäännöslämmöstä, joka syntyy ensimmäisessä leijukerrosreaktorissa ja joka on hienojakoisim-massa inerttisessä kiinteässä aineessa. Nämä hienojakoi-10 semmat inerttiset kiinteät aineet, joiden lämpösisällöstä suuri osa on otettu talteen, palautetaan esileijukerros-reaktorin pohjalle, jossa ne joutuvat kosketukseen ilman ja väkevöidyn jäteliemen kanssa ja leijutetaan uudelleen.

Käytettäessä monivaiheisia leijukerrosreaktoreita, 15 absorboi ensimmäinen vaihe, jossa käytetään kahdenkokoisia kiinteitä hiukkasia, palamislämpöä, ja poiketen tavanomaisista leijukerrosreaktoreista, osan kiinteiden aineiden lämmöstä, samalla kun kaasumaiset komponentit poistuvat, pohjan sijasta, reaktorin yläpäästä. Tällä tavalla tapahtuu 20 palaminen tehokkaasti kaasun nopeuden ollessa suuri, ilman että ensimmäisessä leijukerrosreaktorissa tarvitaan sisäpuolisia lämmönpoistopintoja, kuten esimerkiksi reaktoriin upotettuja putkia. Sellaisten putkien käyttöikä on lyhyt, mikä edellyttää tiheitä vaihtoja, joihin liittyvä seisonta-25 aika saattaa toimintaolosuhteista riippuen myös haitata leijuttamisprosessia. Ensimmäisessä leijukerrosreaktorissa käytetyt kahden koon hienojakoiset kiinteät aineet ovat inerttisiä ja toimivat pääasiallisesti lämmön ottamiseksi talteen poltosta ja ilman sekoittamiseksi väkevöityyn jäte-30 liemeen.

Edellä mainittujen patenttien ja hakemusten lisäksi on hakija tietoinen seuraavista julkaisuista, joita voidaan pitää varteenotettavina tälle keksinnölle.

US-patentti 3 322 492, jossa esitetään sulfiittikeiton 35 talteenottojärjestelmä, jossa mustalipeä kuivataan ja hape tetaan ensimmäisessä leijukerroksessa lisäpolttoaineen avul- 5 71787 la ja kiinteä jäännös johdetaan toiseen leijukerrospelkis-tyslaitteeseen, josta kiinteä Na2S ja Na2C03 johdetaan lisä-länunönvaihtimeen ja sitten tavanomaiseen liuotustankkiin ja viherlipeän käsittelyjärjestelmään.

5 US-patentissa 3 408 167 on esitetty jälkipoltin, joka varmistaa jätteenpolttimesta, kuten polttouunista, tulleiden savukaasujen täydellisen palamisen.

US-patentissa 3 711 593 on esitetty sulfiittijäte-liemen kemiallinen talteenottojärjestelmä, joka käsittää 10 vaiheen natriumkarbonaatista erotettujen sulfidipitoisten kaasujen polttamisen kattilassa, jotta voitaisiin ottaa talteen lämpösisältö ja kehittää sulfiittia, joka yhtyy uudelleen natriumkarbonaattiin natriumsulfiitin muodostamiseksi.

15 US-patentissa 3 718 446 on esitetty sulfaattimene- telmän poistokaasujen käyttö täydennysilman lähteenä pyro-lyysiprosessissa mustalipeän kemikaali- ja lämpösisällön talteenottamiseksi.

US-patentissa 4 244 779 on esitetty vaihtoehtoinen 20 leijukerrospalamisprosessi, jota muunmuassa voidaan käyttää sulfaattimenetelmässä talteenotossa.

Sarofim & Beer, Modelling of Fluidized Bed Combustion, Combustion Inst. (1979), p. 189; Howard Williams ja Fine, Kinetics of Carbon Monoxide Oxidation in Postflame Gases, 25 14th Symposium on Combustion (1973), p. 975; Gibbs & Beer,

Pilot Plant Study of Fluidized Bed Coal Combustion, I. Chem.

E. Symposium Series nro 43 ja Avedesian sekä Davidson, Combustion of Carbon particles in a Fluidized Bed, Trans. Instn.Chem. Engrs. Vol. 51, 1973, p. 121, liittyvät hiili-30 pitoisten aineiden (kivihiilen) polttamiseen leijukerros-polttokammiossa.

Tämä keksintö eroaa olennaisesti kaikista mainituista julkaisuista sekä yksittäin että yhdessä käsitetynä, kuten seuraavasta selityksestä käy ilmi.

35 Keksintö tarjoaa integroidun menetelmän ja laitteen 6 71787 lämmön ja kemikaalien talteenottamiseksi sellutuksen jäte-liemistä. Tarkemmin sanottuna on keksinnön kohteena ensinnäkin menetelmä selluloosan valmistuksen jäteliuosten energia-ja kemikaalisisällön talteenottamiseksi, jossa menetelmässä 5 a) väkevöity selluloosan valmistuksen jäteliemi poltetaan ilmalla leijukerrosreaktiokammiossa niin, että syntyy kaasumaisia ja kiinteitä palamistuotteita, jolloin leijukerros-reaktiokammiossa on useita inerttejä, kiinteitä, hiukkas-maisia materiaaleja, joista ainakin yhdellä on pienempi 10 hiukkaskoko kuin muilla, jolloin hienompijakoiset hiukkaset sekoittuvat palamistuotteisiin, b) pienemmän hiukkaskoon omaavaa, inerttiä hiukkasmateriaa-lia, josta ainakin osa on erotettu kaasumaisista ja kiinteistä palamistuotteista, käsitellään ulkopuolisessa leiju- 15 kerrosyksikössä hienompijakoisen inertin hiukkasmaisen materiaalin lämpösisällön talteenottamiseksi, c) jäljellä olevat kiinteät palamistuotteet erotetaan kaasumaisista palamistuotteista siten, että pienempi osa kiinteistä palamistuotteista jää sekoittuneeksi kaasumaisiin palamis- 20 tuotteisiin, d) kaasumaiset palamistuotteet, joihin on sekoittuneena kiinteitä palamistuotteita, hapetetaan lämpötilassa, joka on korkeampi kuin kiinteiden palamistuotteiden sulamispiste, e) kaasumaisista tuotteista erottamisen jälkeen kiinteät 25 palamistuotteet pelkistetään pelkistyslaitteessa mainitun laitteen sisältämässä sulassa, epäorgaanisessa suolamassassa olevalla pelkistyslaitteella.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että f) kaasumaiset komponentit, jotka sisältyvät erotettuihin 30 kaasumaisiin tuotteisiin, joihin kiinteiden palamistuottei den vähäisempi osa on sekoittunut, hapetetaan pelkistys-laitteen ulkopuolella siten, että erotettuihin kaasumaisiin tuotteisiin jääneet pelkistysaineet hapettuvat täydellisesti, ja että kiinteiden palamistuotteiden vähäisemmästä osasta 35 muodostetaan sula epäorgaaninen suolamassa, joka syötetään 7 71787 pelkistyslaitteeseen, ja hapetetuista kaasuista poistetaan kemikaali- ja lämpösisältö ennen niiden johtamista ilmakehään.

Keksinnön mukainen menetelmä tarjoaa taloudellisen ja täydellisemmän lämmön ja kemikaalien talteenoton sellutuksen 5 jäteliemistä, samalla kun sen avulla voidaan tehokkaammin valvoa prosessia, niin että haitallisten ja mahdollisesti myrkyllisten kaasujen määrää voidaan huomattavasti vähentää ja niiden valvontaa parantaa.

Keksinnön mukainen menetelmä myös eliminoi tai merkit-10 tävästi vähentää ympäristöön poistuvien kaasujen puhdistuksen edellyttämien saostimien tai muiden talteenottolaitteiden tarvetta.

Keksinnön nimenomaisissa suoritusmuodoissa, joissa käytetty jäteliemi voi olla sulfaattikeiton mustalipeää, 15 suoritetaan alkupoltto ilmassa epätäydellisesti, erityisesti jos se tapahtuu hiilipitoisen lisäpolttoaineen läsnäollessa, jolloin kiinteät palamistuotteet sisältävät hienojakoisempaa inerttistä kiinteätä ainetta ja jolloin lisäpelkistintä lisätään suoraan erotettujen kiinteiden palamistuotteiden 20 pelkistysvaiheeseen.

Kuvio on kaavamainen esitys laitteistosta ja prosessista lämmön ja kemikaalien talteenottamiseksi mustalipeästä.

Tapaa, jolla keksinnön prosessia sovelletaan käytäntöön käyttämällä keksinnön laitteistoa kuvataan nyt viitaten 25 piirustukseen sekä nimenomaiseen suoritusmuotoon, nimittäin mustalipeän talteenottoon.

Kun sulfaattikeiton mustalipeä poistetaan sellutuksen jätteenä paperitehtaalla, on sen kiinteiden aineiden pitoisuus suhteellisen alhainen eli normaalisti noin 14 paino-30 prosenttia. Keksinnön mukaista prosessia käytäntöön sovellet taessa tämä lipeä halutaan konsentroida noin 50 prosentin kiinteiden aineiden kokonaispitoisuuteen, edullisesti noin 50-100 prosentin kiinteiden aineiden painoprosenttiin ja edullisimmin noin 60-85 painoprosenttiin. Tämä voidaan saa-35 vuttaa käsittelemällä mustalipeää sen poistuessa keitosta 8 71787 kuidutusvaiheesta monivaihehaihduttimissa 1, jotta suuri osa vedestä poistuisi ja kiinteiden aineiden kokonaispitoisuus kasvaisi.

Normaalikäytössä on monivaihehaihduttimista 1 lähte-5 vän poistoaineen kiinteiden aineiden kokonaispitoisuus noin 65 painoprosenttia ja sen lämpötila on noussut noin 71-93, mieluimmin noin 82 asteeseen C, jolloin se johdetaan putki-johdon 2 kautta reaktorin alapään lähellä olevaan ensimmäiseen leijukerrosreaktoriin 3. Keksinnön erään suoritusmuodon 10 mukaisesti on leijukerrosreaktori monivaiheinen kiinteiden aineiden leijukerrosreaktori, joka on esitetty US-patentissa 4 084 545. Sopivia inerttejä kiinteitä aineita, joita voidaan käyttää monivaiheisessa leijukerrosreaktorissa, samoin kuin tyypillisiä toimintaolosuhteita, on esitetty edellä maini-15 tussa US-patentissa 4 303 469.

Monivaiheista kiinteäaineleijukerrosreaktoria 3 käytetään useiden kiinteiden aineiden ollessa läsnä. Hienojakoisempi ja sekoittuvampi kiinteäaine voi olla "Speculitea", hiekkaa tai jotain muuta inerttiä materiaalia, jonka muodos-20 tavat hiukkaset, joiden koko on 1,6-0,2 mm, toisin sanoen hiukkaset läpäisevät 1,6 mm:n seulan, mutta ei 0,2 mm:n seulaa, ja karkeita ei-sekoittuvia hiukkasia, joiden hiukkas-koko on noin 2,1-1,6 mm ja jotka ovat Speculiittiä tai muuta kompaktia inerttistä materiaalia, jota voi olla samanpainoi-25 nen määrä.

Leijukerrosreaktoriin 3 syötetään myös ympäristön, tai sitä korkeammassa lämpötilassa olevaa ilmaa reaktorin pohjan kautta kohdassa 4 mahdollisen hiilipitoisen polttoaineen mukana, esimerkiksi reaktorin pohjalle tai sen lä-30 helle, kuten kohdassa 5 esitetään, yhdessä konsentroidun mustalipeän kanssa, joka myös tulee reaktoriin lähellä sen pohjaa kohdassa 2. Ilman, konsentroidun mustalipeän ja jonkin hiilipitoisen polttoaineen määrät voidaan säätää, niin että mustalipeän hiilipitoisuuteen ja johonkin hiilipitoiseen 35 polttoaineeseen perustuva palaminen on 80-90 prosenttista, samalla kuin kaikki kiinteät aineet vielä leijuvat. Kaasu- 9 71787 maiset palamistuotteet käsittävät ensi tilassa hiilidioksidia, typpeä ja vettä, mutta niissä voi olla myös pieniä määriä hiilimonoksidia, vetyä ja metaania. Mustalipeän epäorgaaninen tai mineraalisisältö muuttuu sulfaatti- tai karbonaatti-5 suoloiksi, tavallisesti natriumsulfaatiksi ja natriumkarbonaatiksi. Johtuen siitä, että mustalipeän ja jonkin mahdollisesti läsnäolevan hiilipitoisen polttoaineen yhdistelmässä palavan orgaanisen aineen palaminen on tarkoitettu epätäydelliseksi, kehittyy hiilipitoisia aineita, kuten hiiltä. On toi-10 vottavaa, että tapahtuu riittävästi palamista kehittämään leijukerrosreaktorissa 3 lämpötila 587-704, mieluimmin alle noin 662°C. Tällä lämpötila-alueella ovat ei-kaasuuntuvat palamistulokset kiinteitä aineita.

Syötetyn ilman pintanopeus säädetään noin 4,5-9,0 15 metriin sekunnissa, niin että suurin osa reaktorissa 3 tapahtuneen palamisen tuottamista kiinteistä aineista voi siirtyä hienojakoisten siirtyvien kiinteiden aineiden mukana. Nämä kiinteät aineet poistuvat leijukerrosreaktorin 3 yläpäästä 6. Yhdistetyt, mukanasiirtyvät kiinteät aineet siirty-20 vät putkijohdon 7 kautta kaasu-kiinteäaine-erottimeen 8, joka erottaa suurimman osan inertistä kiinteästä aineesta palamisjäännöksen kiinteiden aineiden ja kaasujen seoksesta. Kaasumaiset aineet, jotka käsittävät pääasiassa hiilidioksidia, typpeä ja vesihöyryä, poistuvat kaasu-kiinteäaine-erottimen 25 8 yläpäästä putkijohdon 9 kautta, mukanaan suurin osa pala- mistuotteiden epäorgaanisista kiinteistä aineista, jotka käsittävät sulfaattia ja karbonaattia sekä palamattomia hiilipitoisia aineita. Suurin osa inerttisistä kiinteistä aineista, jotka muodostuvat hienojakoisesta kiinteästä aineesta erottu-30 mattomasta epäorgaanisesta sulfaatista, karbonaatista ja palamattomasta, hiilipitoisesta aineesta, poistuu kaasu-kiinteäaineä-erottimesta 8 putkijohdon 10 kautta. Kaasun ja kiinteän aineen erottimesta 8 putkijohdon 10 kautta poistuvien kiinteiden aineiden lämpötila on edullisesti noin 587-704°C, 35 edullisimmin alle noin 662°C.

10 71 787

Inerttinen kiinteäainekomponentti ohjataan erottimesta 8 johdon 10 kautta lämmönvaihtimeen 11, jolloin osa jäljelle jääneiden kiinteiden aineiden lämmöstä siirtyy putkeen 12, jossa on vettä, niin että syntyy höyryä. Lämmönvaihdin 11 5 on tavanomainen yksikkö, jota käytetään tavanomaisen leiju-kerroksen yhteydessä, jolloin putki 12 siirtää pois lämpöä. Kiinteät aineet, jotka ovat luovuttaneet huomattavan osan lämmöstään, poistetaan lämmönvaihtimesta 11 putkijohdon 13 kautta ja palaavat monivaiheisen kiinteäaineleijukerros-10 reaktoriin 3 tullakseen kierrätetyksi uudelleen sen läpi.

Kaasu-kiinteäaine-erottimesta 8 putkijohdon 9 kautta poistettu kaasumainen komponentti, joka sisältää poltto-kaasut reaktorista 3, sulfaatti- ja karbonaattikiinteä-aineita sekä palamatonta hiilipitoista ainetta, ohjataan 15 toisen kaasu-kiinteäaine-erottimen 14 läpi, jossa vielä erotetaan jäljelle jääneet kiinteät aineet, nimittäin palamatta jääneet orgaaniset yhdisteet ja sulfaatti- sekä karbonaatti-ionien, kuten natriumin ja kaliumin, epäorgaaniset suolat, jotka poistetaan kaasu-kiinteäaine-erottimen 20 14 pohjasta putkijohdon 15 kautta pelkistyslaitteeseen 16.

Prosessia normaalisti käytettäessä ei kaasu-kiinteäaine-erottimesta 14 sen yläpäästä putkijohdon 17 kautta poistuva kaasumainen poistoaine sisällä juuri lainkaan kaasuja, eikä erityisesti sellaisia, joissa on rikkiä hapettumistilassa 25 alle +4:n formaalin valenssitilan, ja koostuu enimmäkseen hiilidioksidista, typestä, kosteudesta, jäljistä rikkidioksidia, hiilidioksidista, vedystä ja metaanista. Nämä erotetut kaasut, joiden mukaan on jäänyt jonkin verran kiinteitä aineita, johdetaan putkijohdon 17 kautta tavanomaiseen 30 konvertteriin 18, jossa kaasu-kiinteäaine-erottimesta 14 tuleva kaasumainen poistoaine hapetetaan adiabaattisesti 790°C:n tai vieläkin korkeammassa lämpötilassa. Tämän lämpötilan vaiheilla on, johtuen kaasussa olevasta ylimäärähapesta, hiilidioksidin, vedyn ja metaanin olennaisesti täydellinen 35 hapettuminen erittäin nopeata, ja vähäinen osa mukanakulke-neista palamissuoloista sulaa. Sulaneet suolat poistetaan 11 71787 johdon 19 kautta ja johdetaan sulan suolan pelkistys-laitteeseen 16.

Hapettuneet kaasut, jotka eivät enää olennaisesti sisällä hapettumiskelpoista materiaalia, poistetaan kon-5 vertteristä 18 ja johdetaan putken 20 kautta tulistimeen 21 ja esilämmittimeen 22, ennen kuin se johdetaan putken 23 kautta mahdolliseen rikkidioksidin talteenottoon ja sen jälkeen ulkoilmaan. Esilämmitintä 22 ja tulistinta 21 voidaan käyttää lämmön talteenottoon lämmittämällä ensin vettä esi-10 lämmittimessä 22 olevassa putkessa 24 ja ohjaamalla tämä lämmitetty vesi ulkopuolisessa lämmönvaihtimessa 11 olevaan putkeen 12, jossa veden lämpötilaa voidaan edelleen nostaa höyryn kehittämiseksi. Höyry voidaan sitten johtaa putki-johdon 26 kautta tulistimessa 21 olevaan putkeen 27, jossa 15 höyry voidaan tulistaa. Tekniikkaan perehtynyt käsittää tietenkin, että putkesta 24 tuleva kuuma vesi ja putkesta 12 tuleva höyry ovat sinänsä käyttökelpoisia erilaisiin teollisiin tarkoituksiin paperitehtaassa ja näistä voidaan osa ottaa talteen ja käyttää suoraan, ilman että sitä johdetaan seuraa-20 vaan lämmöntalteenottovaiheeseen. Sekä esilämmitin 22 että tulistin 21 ovat hyvin tunnettuja ja tavanomaisia komponentteja. Niiden rakenne ja toiminta ovat edullisesti sellaiset, että polttokaasut, jotka lähtevät konvertterista noin 790°C:n, tai korkeammassa lämpötilassa, lähtevät esilämmittimestä 25 noin 200°C:n lämpötilassa.

Putkijohdon 15 kautta pelkistyslaitteeseen 16 johdetut kiinteät aineet sekoitetaan tuloaukon 28 kautta syötettyyn ilmaan ja putken 19 kautta syötettyihin, konvertterista 18 tulevaan suolajäännökseen.

30 Pelkistin 16 on vakiomallinen uuni tai reaktori.

Pelkistimeen 16 syötetään ilmaa, jotta riittävä määrä palamatonta hiilipitoista ainetta hapettuisi, ja lisää pelkis-tintä tuloaukon 29 kautta tuottamaan riittävästi lämpöä sulfaatin pelkistämiseksi sulfidiksi endotermisessä reaktiossa.

12 71 787

Pelkistyksessä käytetään jäljelle jäänyttä palamatonta hiilipitoista materiaalia sekä lisäpelkistintä. Kaikkien sellaisten komponenttien täydellinen reaktio ei ole mahdollisuuksien rajoissa ja joitain haitallisia kaasuja, erityi-5 sesti rikkivetyä ja muita negatiivisessa tai pelkistetyssä formaalivalenssitilassa olevaa rikkiä sisältäviä, helposti höyrystyviä kaasuja voi jäädä jäljelle. Jotta ei olisi tarpeellista käyttää muita keinoja haitallisten kaasujen poistamiseksi, voi putkijohto 30 ohjata nämä kaasut putkijohdossa 10 17 olevaan polttokaasuvirtaan ennen niiden syöttämistä konvert teriin 18. Pelkistin toimii edullisesti noin 900°C:n lämpötilassa. Pelkistyslaitteessa on sula seos, jossa on noin yhdestä kolmeen paino-osaa natriumkarbonaattia ja noin yksi paino-osa natriumsulfaattia ja natriumsulfidia, jossa seok-15 sessa huomattava osa kemiallisesta reaktiosta tapahtuu ja jota sekoitetaan.

Pelkistyslaitteen 16 tehtävänä on pelkistää suuri osa epäorgaanisista sulfaattisista kiinteäaineista sulfideiksi, joita tarvitaan sulfiittikeittoliuoksissa.

20 Palamattomalla hiilipitoisella materiaalilla on pelkistyslaitteessa kaksi tehtävää. Se toimii tehokkaana kemiallisena pelkistysaineena sulfaatin ja sulfidisuoloissa mahdollisesti olevan tiosulfaatin pelkistämiseksi sekä kehittää palamislämpöä johtuen tuloaukon 28 kautta syötetyn ilman 25 edistämästä hiilipitoisen materiaalin hapettumisesta. Sulfaatin pelkistyminen sulfidiksi on endoterminen reaktio ja tämän reaktion ylläpitämiseksi tarvittava lämpö saadaan tarkoituksenmukaisesti hapettamalla osa hiilipitoisesta materiaalista tai muista mahdollisesti läsnäolevista pelkistysaineista.

30 Sulat kiinteät aineet poistetaan pelkistyslaitteesta putkijohdon 31 kautta, missä vaiheessa sulat kiinteät aineet ovat epäorgaanisten sulfidien, karbonaattien ja joidenkin pelkistymättömien sulfaattien muodossa. Tavallisesti nämä ovat natriumsuoloja. Sulat suolat ohjataan putkijohdon 31 35 kautta sulanjäähdyttimeen 32, osa niiden lämpösisällöstä 13 71 787 poistetaan, jotta niiden lämpötila laskisi arvoon, esimerkiksi lämpötilaan noin 760°C, jossa ne voidaan poistaa sulanjäähdyttimestä ja viedä putkijohdon 33 kautta tavanomaiseen sulanliuotusammeeseen edelleenkäsittelyä varten 5 sulfaattivalkolipeäksi tavanomaiseen tapaan. Sulanjäähdytti-messä 32 talteenotettu lämpö voidaan käyttää putken 34 kautta kulkevan ilman lämmittämiseen noin 700 C-asteeseen, ennen kuin se syötetään tuloaukon 28 kautta pelkistyslaitteeseen 16.

Hapen tuomiseksi prosessin eri palamisvaiheisiin ja 10 monivaiheisen kiinteäaineleijukerroksen 3 leijukaasua sekä ulkopuolista lämmönvaihdinta 11 varten on tarkoituksenmukaista syöttää järjestelmään ilmaa. Ilmaa voidaan tarkoituksenmukaisesti syöttää putkesta 35 ja osa siitä voidaan johtaa putken 4 kautta monivaiheisen kiinteäaineleijukerroksen 3 15 leijukaasuksi sekä siinä tapahtuvaan palamiseen tarvittavaksi hapeksi. Riittävä määrä ilmaa jatkaa putken 35 kautta leijuttumaan kiinteäainekerrosta lämmönvaihtimessa 11. Putken 36 kautta lämmönvaihtimesta 11 poistuvan ilman lämpösisältö on huomattava. Sen vuoksi kierrätetään osa putkesta 36 kulke-20 vasta ilmasta uudelleen putkeen 35 putken 37 kautta, jotta se kiertäisi uudelleen leijukaasuna lämmönvaihtimen 11 läpi. Putkeen 36 jäljelle jäänyt osa ilmasta ohjataan putken 38 kautta sulanjäähdyttimeen 32, jossa se edelleen lämpiää ja kulkee putken 34 kautta sisääntuloaukkoon 28, jossa se syö-25 tetään pelkistyslaitteeseen 16 tuottamaan happea siinä tapahtuvaa palamisreaktiota varten.

Siten on prosessin toiminnan ansiosta olennainen osa mustalipeän orgaanisista aineista haluttaessa poltettu lieju-kerrosreaktorissa 3, koska hiiltä tai jotain muuta hiilipi-30 toista polttoainetta, kuten polttoöljyä tai koksia on lisätty lämpöarvon nostamiseksi sekä pelkistyslaitteesta 16 tapahtuvien pelkistysprosessien edellyttämien palamattomien hiilipitoisten materiaalien lisälähteeksi. Palamisprosessin jälkeen otetaan lämpösisältö vaiheittain talteen kuuman veden 35 ja höyryn muodossa, joita vuorostaan käytetään suoraan tehtaan erilaisissa prosesseissa tai epäsuorasti kehittämään 14 71 787 energiaa muissa muodoissa tehtaalla käytettäväksi. Mine-raalikomponentit otetaan talteen muodostamaan tavanomainen soodalipeä, jota voidaan käsitellä tunnetuilla tavanomaisilla menetelmillä käytettäväksi uudelleen keittovaiheessa, 5 ja myrkylliset ja haitalliset kaasut pidetään järjestelmässä, kunnes ne on muutettu yhdisteiksi, jotka voidaan päästää tai käsitellä taloudellisemmilla ympäristönsuojausmenetelmillä kuin niiden alkuperäinen tila edellyttäisi. Tätä luonnollisesti helpottaa prosessi, jossa pelkistyslaitteesta tulevat 10 poistokaasut kierrätetään uudelleen putkijohdon 30 kautta takaisin putkijohtoon 17, jotta ne yhtyisivät polttokaasuun, joka kulkee putkijohdon 17 kautta konvertteriin 18 tullakseen käsitellyksi siellä.

Kuten edellä on todettu, tekee öljyn tai muiden hiili-15 pitoisten aineiden lisäys polttovaiheen aikana tapahtuvan lämpöarvonlisäyksin kanssa yhdistettynä kasvaneeseen lämpö-arvoon palamisprosessin aikana ensimmäisessä leijukerros-reaktorissa 3 mahdolliseksi sen, että polttaminen voidaan suorittaa mitä erilaisemmissa olosuhteissa, samalla kun 20 varmistaudutaan siitä, että pelkistyslaitteen 16 pelkistysreaktiossa syntyy pelkistyslähteeksi runsaasti palamatonta hiilipitoista materiaalia.

Tekniikkaan perehtynyt oivaltaa, että saattaa olla tarpeellista lisätä pelkistintä pelkistyslaitteen 16 oikean 25 toiminnan varmistamiseksi koko järjestelmän tiettyjen toimintaolosuhteiden aikana. Suositut lisäpelkistimet ovat hiililähteitä, kuten koksi, petrolikoksi, maakaasu, kaupunki-kaasu jne. Sellaisten hiililähteiden, kuten kivihiilen suora käyttö pelkistyslaitteessa 16 ei ole suosittua, koska kivi-30 hiilessä oleva kosteus ja nopeasti höyrystyvät komponentit häiritsevät pelkistyslaitteen 16 tasaista toimintaa.

Prosessi tarjoaa käyttöön tehokkaan tavan erottaa ja ottaa talteen kiinteät aineet. Reaktorin 3 yläosasta poistuu polttokaasu, osa kiinteän kerroksen inerttisestä aineesta 35 sekä hapettuneet suolat, jotka otetaan talteen ja käytetään 15 71 787 uudelleen kuidutusprosessissa, yhdessä palamattomien hiili-pitoisten materiaalien kanssa, joita käytetään pelkistys-prosessissa. Kerroksen inerttiset kiinteät aineet, jotka kulkevat mukana reaktoriin 3 erotetaan kaasu-kiinteäaine-5 esierotuksessa 8 ja otetaan sen jälkeen talteen sekä kierrätetään takaisin reaktoriin. Polttokaasu, suolat ja palamattomat orgaaniset aineet erotetaan tehokkaasti tavanomaisessa kaasu-kiinteäaine-erottimessa prosessin kiinteiden aineiden kulkiessa pelkistimeen 16.

10 Kattilan ulkopuolinen lämmönvaihdin 11 suorittaa tär keän tehtävän ottamalla talteen palamislämmön kerroksen erotettuihin kiinteisiin aineisiin varastoituneesta lämpösisäl-löstä, niin että lämmönvaihtimen putkia ei tarvitse sijoittaa suoraan leijukerrosreaktoriin 3. Leijukerroksen palamisvyö-15 hykkeen parantuneen toiminnan ansiosta, minkä saa aikaan lämmönvaihtimien putkien puuttuminen, vähenee lisäksi lämmönvaihtimen putkien korroosio huomattavasti.

Tärkeä vaihe kemiallisissa pelkistyksissä ja prosessissa kokonaisuudessaan on natriumsulfaatin muuttaminen natrium-20 sulfidiksi, mikä on sulfaattikeiton osa. Kuten selitettiin, tapahtuu tämä pelkistys pelkistyslaitteessa 16. Pelkistys tapahtuu pelkistyslaitteen 16 alaosassa, sulasuolaosassa.

Ilmaa syötetään reaktoriin 16 kohdassa 28 palavien kaasujen, kuten vedyn ja hiilimonoksidin hapettamiseksi, ennen kuin ne 25 poistuvat pelkistyslaitteesta. Ilmalla on luonnollisesti myös tärkeä tehtävä palavien hiilipitoisten aineiden hapettamisessa lämmön kehittämiseksi. Nämä reaktiot ovat eksotermisiä ja ne tuottavat lämpöenergiaa, jota tarvitaan ylläpitämään pelkistyslaitteessa tapahtuvia pelkistysreaktioita, jotka ovat 30 endotermisiä.

Käytetyn hiilen, öljyn tai muun mahdollisen hiili- pitoisen polttoaineen luokka tai tyyppi eivät ole erityisen kriittisiä. Mitä tahansa raskasöljyä tai jopa raakaöljyä voidaan käyttää. Samalla tavoin voidaan käyttää minkä tahansa 35 tyyppistä antrasiittiä, bitumista hiiltä, raakaöljykoksia tai jopa ligniittiä, kunhan vain niiden raekoko sopii reaktorissa käytettyyn syöttöjärjestelmään.

is 71787

Kun polttoaineena käytetään bitumista hiiltä, sitä voidaan käyttää painosuhteessa 1:5-1:100, edullisesti 1:20 mustalipeän kuiva-aineisiin nähden.

"Speculiten" lisäksi, joka on hematiittimalmi, 5 joka sisältää noin 93 % Fe20^ ja jota toimittaa C.E.Minerals Inc., King of Prussia, Pennsylvania, sopivat kerroksen inerttisiksi kiinteiksi materiaaleiksi alumiinioksidi, nikkeli tai nikkelioksidi. Hiekka sopii pienikokoisemmille hiukkasille. Hienojakoisemman kiinteäainekerroksen kompo-10 nentti voi myös olla kalkkikivi tai dolomiitti.

Tekniikkaan perehtynyt havaitsee, että patenttivaatimuksissa käytetty käsite "inerttinen" tarkoittaa, että materiaali pysyy kemiallisesti muuttumattomana jonkin nimenomaisen yksikön toimiessa ja että se voidaan ottaa 15 talteen siitä toiminnasta, vaikka se jonkin toisen yksikön toiminnassa voikin reagoida. Siten ovat palamisessa kehittyneet suolat sopivia inerttisiä kiinteitä aineita prosessin palamisvaiheessa ja osa niistä voidaan erottaa pelkistys-laitetta 16 kohti matkalla olevista suoloista ja kierrättää 20 uudelleen hienojakoisemman kerroksen komponenteiksi.

Tekniikkaan perehtynyt havaitsee, että leijukerros-palamistilassa käytettyjen kahden kiinteäainehiukkasvaiheen eroaminen saattaa tapahtua johtuen niiden hiukkaskoon tai tiheyden eroista tai näiden yhdistelmästä. Käsite hieno-25 jakoisempi hiukkaskoko käsittää senvuoksi hiukkaset, joiden tiheys on suhteellisesti pienempi ja käsite suurempi hiukkaskoko käsittää myös suhteellisesti tiheämmät hiukkaset.

Claims (7)

17 71 787

1. Menetelmä selluloosan valmistuksen jäteliuosten energia- ja kemikaalisisällön talteenottamiseksi, jossa me-5 netelmässä a) väkevöity selluloosan valmistuksen jäteliemi poltetaan ilmalla leijukerrosreaktiokammiossa niin, että syntyy kaasumaisia ja kiinteitä palamistuotteita, jolloin leijukerrosreaktiokammiossa on useita inerttejä, kiinteitä, hiukkas- 10 maisia materiaaleja, joista ainakin yhdellä on pienempi hiukkaskoko kuin muilla, jolloin hienompijakoiset hiukkaset sekoittuvat palamistuotteisiin, b) pienemmän hiukkaskoon omaavaa, inerttiä hiukkasmateriaa-lia, josta ainakin osa on erotettu kaasumaisista ja kiin- 15 teistä palamistuotteista, käsitellään ulkopuolisessa leiju- kerrosyksikössä hienompijakoisen inertin hiukkasmaisen materiaalin lämpösisällön talteenottamiseksi, c) jäljellä olevat kiinteät palamistuotteet erotetaan kaasumaisista palamistuotteista siten, että pienempi osa kiinteis- 20 tä palamistuotteista jää sekoittuneeksi kaasumaisiin palamistuotteisiin , d) kaasumaiset palamistuotteet, joihin on sekoittuneena kiinteitä palamistuotteita, hapetetaan lämpötilassa, joka on korkeampi kuin kiinteiden palamistuotteiden sulamispiste, 25 e) kaasumaisista tuotteista erottamisen jälkeen kiinteät palamistuotteet pelkistetään pelkistyslaitteessa mainitun laitteen sisältämässä sulassa, epäorgaanisessa suolamassassa olevalla pelkistysaineella, tunnettu siitä, että f) kaasumaiset komponentit, jotka sisältyvät erotettuihin 30 kaasumaisiin tuotteisiin, joihin kiinteiden palamistuottei den vähäisempi osa on sekoittunut, hapetetaan pelkistys-laitteen ulkopuolella siten, että erotettuihin kaasumaisiin tuotteisiin jääneet pelkistysaineet hapettuvat täydellisesti, ja että kiinteiden palamistuotteiden vähäisemmästä osasta 35 muodostetaan sula epäorgaaninen suolamassa, joka syötetään pelkistyslaitteeseen, ja hapetetuista kaasuista poistetaan kemikaali- ja lämpösisältö ennen niiden johtamista ilmakehään. 18 71 787

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa a) tapahtuvassa poltossa syntyy palamaton, hiilipitoinen jäännös, joka muodostaa osan pelkistyslaitteessa olevasta pelkistysaineesta.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että pelkistyslaitteeseen ja leijukerros-reaktoriin syötetään erikseen hiilipitoista polttoainetta vaiheessa a).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n - 10. e t t u siitä, että vaiheessa a) syötettävän ilman, väkevöidyn mustalipeän ja hiilipitoisen polttoaineen määriä säädellään siten, että aikaansaadaan 80-90-prosenttinen palaminen jäteliemen ja hiilipitoisen polttoaineen hiilipitoisuuteen nähden samalla kun kaikki läsnäolevat kiinteät aineet 15 jäävät suspendoituneiksi.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pelkistysvaiheen poistokaasut yhdistetään erotettujen kaasumaisten palamistuotteiden kaasumaisiin komponentteihin ennen kuin kaasumaiset palamistuot- 20 teet hapetetaan.

6. Laite selluloosan valmistuksen jäteliemen energia- ja kemikaalisisällön talteenottamiseksi, joka laite käsittää ensimmäisen leijukerroskammion (3), jossa väkevöity jäteliemi poltetaan ilmalla kaasumaisten ja kiinteiden pala- 25 mistuotteiden saamiseksi ja joka sisältää useita inerttejä, kiinteitä, hiukkasmaisia materiaaleja, joista ainakin yhdellä materiaalilla on pienempi hiukkaskoko kuin muilla, jolloin oleellinen osa hienompijakoisesta hiukkasmaisesta materiaalista sekoittuu kaasumaisiin ja kiinteisiin palamistuotteisiin; 30 välineet (8) pienemmän hiukkaskoon omaavan inertin materiaa lin erottamiseksi kaasumaisista ja kiinteistä palamistuot-teista ensimmäisen leijukerrosreaktiokammion ulkopuolella; välineet (11, 13) erotetun pienemmän hiukkaskoon omaavan inertin materiaalin palauttamiseksi ensimmäiseen leiju- 35 kerrosreaktiokammioon sen jälkeen kun materiaalin lämpö-sisältö on poistettu; välineet (14) jäljellä olevien 19 71 787 kiinteiden palamistuotteiden erottamiseksi kaasumaisista palamistuotteista; sekä pelkistyslaite (16), jonka avulla ainakin osa erotetuista kiinteistä palamistuotteista pelkistetään pelkistysaineella sulassa epäorgaanisessa suola-5 massassa; tunnettu siitä, että sula epäorgaaninen suolamassa saadaan erotettuihin kaasumaisiin palamistuottei-siin sekoittuneiden kiinteiden palamistuotteiden toisesta osasta, ja että erotetut kaasumaiset palamistuotteet, joihin kiinteiden palamistuotteiden mainittu toinen osa on 10 sekoittunut, syötetään pelkistyslaitteesta erilleen sovi tettuun reaktioastiaan (18) kaasumaisten palamistuotteiden kaasumaisten komponenttien hapettamiseksi ja kiinteiden palamistuotteiden mainitun toisen osan sulattamiseksi siten, että muodostuu sula epäorgaaninen suolamassa pelkistys-15 laitteeseen syötettäväksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että välineet (11) erotetun pienemmän hiukkas-koon omaavan inertin materiaalin palauttamiseksi leijukerros-reaktiokammioon koostuvat leijukerroksen sisältävästä 20 lämmönvaihtimesta. 71 787 20