FI82727C - Foerfarande foer foergasning av svartlut. - Google Patents

Description

1 82727

Menetelmä mustalipeän kaasuunnuttamiseksi Tämä keksintö koskee mustalipeän kaasuunnuttamista. Aivan erityisesti tämä keksintö koskee menetelmää, jossa 5 vettä sisältävä mustalipeä kaasuunnutetaan palavan kaasun aikaansaamiseksi.

Tuotettaessa massaa ja paperia natriumperusteisia sulfaatti- ja sulfiittiprosesseja käyttäen puun hajottaminen alkalisten vesiliuosten avulla johtaa sivutuotteen, jo-10 ka tunnetaan jäteliuoksena tai mustalipeänä ja josta jäljempänä käytetään nimitystä mustalipeä, syntymiseen. Tämä sivutuote katsotaan jätteeksi, ja se on muutettava hyödyllisiksi tuotteiksi, jotta koko selluloosan keittoprosessi saadaan taloudelliseksi. Erityisesti on toivottavaa rege-15 neroida natriumsulfidi, jota voidaan käyttää prosessissa uusien aktiivisten liuosten muodostamiseen massanvalmis-tusvaihetta varten. Lisäksi mustalipeän käyttö energialähteenä on toivottavaa.

Laajimmin käytäntöön sovelletussa mustalipeän kä-20 sittelymenetelmässä väkevöity mustalipeä poltetaan tarkoitukseen varta vasten suunnitellun kattilan uunissa höyryn; sulan suolatuotteen, jota nimitetään "sulatteeksi" ja joka sisältää natriumkarbonaattia ja natriumsulfi-; dia; ja palamattoman savukaasun, joka päästetään sopivan 25 puhdistuksen jälkeen ilmakehään; tuottamiseksi. Menetelmä on ollut käytössä massa- ja paperiteollisuudessa noin viisikymmentä vuotta, mutta siinä on vakavia puutteita. Suuri määrä savukaasua on vaikeasti puhdistettavissa ja voi muodostaa ympäristöongelman; kaikki talteensaatu energia on 30 höyryn muodossa, jolla on rajoitetusti käyttöä; räjähdyksiä voi tapahtua, mikäli kattilan putket vuotavat ja päästävät veden kosketuksiin sulatteen kanssa; ja rikkiyhdisteiden pelkistyminen sulfidiksi on epätäydellistä.

.·;· Monenlaisia menetelmiä, jotka sisältävät vaihtoehtoja 2 82727

Tomlinsonin kattilalle tai parannuksia siihen, on käytetty ja ehdotettu mustalipeän muuttamiseksi hyödyllisiksi tuotteiksi.

US-patenttijulkaisussa 1 808 773 on esitetty mene-5 telmä, jossa käytetään mustalipeän talteenottouunia, jossa on kaksi polttovyöhykettä. Ensimmäisessä, korkean lämpötilan polttovyöhykkeessä uuniin suihkutettu mustalipeä de-hydratoidaan ja poltetaan jokseenkin täydellisesti. Toisessa vyöhykkeessä, joka sijaitsee ensimmäisen vyöhykkeen 10 ja uunin pohjan välissä, uuniin suihkutetaan lisää musta- lipeää yhdessä natriumsulfaatin kanssa. Tässä toisessa vyöhykkeessä vesi poistetaan mustalipeästä haihduttamalla, ja mustalipeän osittaisen polton seurauksena uunin pohjalle muodostuu sienimäisestä hiilestä, johon on sekoittunut 15 mustalipeästä peräisin olevia alkalijäännöksiä ja lisättyä natriumsulfaattia, koostuva sulatuskerros. Vaikka tämä menetelmä tarjoaa vaihtoehdon Tomlinsonin talteenottokatti-lan käytölle, kahden erillisen polttovyöhykkeen välttämättömyys edellyttää hankalakäyttöistä laitteistoa, ja lämmön 20 talteenottomahdollisuuden puuttuminen johtaa mustalipeän lämpöarvon hukkaankulumiseen.

;; US-patenttijulkaisu 2 056 266 kuvaa sulatusuunin ja höyrykattilan yhdistelmän, joka on hyvin paljon Tomlinsonin kattilan kaltainen, käyttöä arvokkaiden alkalimetalliaine- : 25 osien talteenottamiseen mustalipeästä ja sen lämpösisällön hyödyntämiseen. Kuivatut mustalipeän kiintoaineet syötetään polttoainekerrosvyöhykkeeseen, jossa ne poltetaan pelkistävässä ilmakehässä sillä tuloksella, että osittain palaneet kaasut kohoavat ylös polttoainekerroksesta. Nämä 30 osittain palaneet kaasut poltetaan sitten täydellisesti johtamalla kerroksen yläpuolella sijaitsevaan polttovyöhyk-keeseen ilmavirta. Polttovyöhyke sisältää kattilaputkia höyryn tuottamiseksi. Polttovyöhykkeessä syntyneiden savukaasujen annetaan kohota, ja inerttiä kaasua puhalletaan 35 alaspäin polttoainekerrokseen, jotta estetään kiintoaineiden il 3 82727 sekoittuminen polttoainekerroksesta kohoaviin kaasuihin ja saadaan aikaan selvä raja vyöhykkeiden välille. Sulaneet arvokkaat alkaliaineosat valutetaan pois kerroksen pohjasta. Vaikka tämä menetelmä tarjoaa keinon arvokkaiden 5 alkalimetalliaineosien talteenottamiseksi mustalipeästä ja sen lämpösisällön hyödyntämiseksi ainakin jossakin määrin, menetelmä edellyttää mustalipeän muuttamista kiintoaineik-seen ennen polttoainekerrosvyöhykkeeseen syöttämistä. Lisäksi menetelmällä on monta niistä haittapuolista, jotka 10 liittyvät olennaisesti Tomlinsonin kattilan käyttöön.

US-patenttijulkaisussa 2 182 428 on esitetty menetelmä jäteliuosten kuivaamiseksi suihkuttamalla haihdutettava liuos lämmönsiirtoväliaineen, kuten öljyn, tervan, pien, bitumin tai vahan, pinnalle. Koska lämmönsiirtoväli-15 aine on inertti eikä palamis- tai pelkistysreaktioita tapahdu, jäteliuokset pelkästään haihdutetaan ilman minkään hyödyllisen tuotteen talteenottoa haihdutetuista liuoksista.

US-patenttijulkaisussa 4 441 959 esitetään menetelmä lämmön ja arvokkaiden kemikaalien talteenottamiseksi sellu-" 20 loosan keiton jäteliuoksista, jossa menetelmässä käytetään leijukerrosreaktiokammiota. Väkevöity selluloosan keiton jäteliuos poltetaan ilman kanssa leijukerroksessa, joka sisältää useata inerttiä hiukkasmaista kiinteätä ainetta, joista ainakin yksi on pienempää hiukkaskokoa kuin muut.

25 Polton jälkeen pienempää hiukkaskokoa olevat hiukkasmaiset aineet käsitellään ulkoisessa leijukerroslämmönvaihtimessa lämmön talteenottamiseksi ja hienompien hiukkasten erottamiseksi poltossa syntyneistä kaasumaisista ja kiinteistä tuotteista. Sen jälkeen kiinteät tuotteet käsitellään sula-30 suolapelkistyslaitteessa, mikä johtaa natriumsulfidia ja muita suoloja sisältävän sulatteen muodostumiseen. Kaasu-_; · maiset tuotteet koostuvat pääasiassa palamattomasta savu kaasusta, jonka lämpösisältö käytetään höyryn tuotantoon.

... Tuloksena oleva jäähdytetty savukaasu voidaan sopivan puh- 35 distuksen jälkeen päästää ilmakehään. Vaikka tällä mene- 4 82727 telmällä saadaan käytetyistä selluloosan keiton jäteliuok-sista talteen osa lämmöstä ja arvokkaista kemikaaleista, tarvitaan erillinen sulasuolapelkistyslaite, koska kiinteät palamistuotteet eivät pelkisty leijukerroksissa, mikä 5 lisää prosessin kompleksisuutta.

Käytettävissä on myös menetelmiä palavan kaasumaisen tuotteen tuottamiseksi erilaisia hiilipitoisia syöttömate-riaaleja kaasuunnuttamalla.

US-patenttijulkaisu 3 916 617, jossa patenttioikeu-10 den omistaja on sama kuin tämän keksinnön tapauksessa, kuvaa sulan suolan käyttöä alhaisen lämpöarvon omaavan kaasun tuottamiseen kaasuunnuttamalla ja osittain hapettamalla hiilipitoinen materiaali.

US-patenttihakemus 350 560, jossa patenttioikeuden 15 saaja on sama kuin tämän keksinnön tapauksessa, kuvaa kuivattujen mustalipeän kiintoaineiden kaasuunnuttamista sula-suolakylvyssä. Tässä menetelmässä syntyy palavaa poisto-kaasua ja toteutuu mustalipeän kiintoaineiden rikkisisäl-lön pelkistyminen suureksi osaksi sulfidiksi. Mustalipeä on 20 kuitenkin välttämätöntä kuivata sulasuolakylpyyn syötettäviksi tarvittavien mustalipeän kiintoaineiden aikaansaamiseksi, mikä lisää prosessin kompleksisuutta ja kustannuksia.

US-patenttihakemus 486 274, jossa patenttioikeuden saaja on sama kuin tämän keksinnön tapauksessa, kuvaa 25 vettä sisältävän mustalipeän kaasuunnuttamista sulasuola-kylpyä käyttäen. Tässä menetelmässä sulasuolakylpyyn, joka sisältää alkalimetallikarbonaattia ja alkalimetallisulfi-dia umpinaisessa kaasuunnutusastiassa, johdetaan pinnan alle happipitoista kaasua sellaisella nopeudella, joka 30 riittää aikaansaamaan suuren pyörteisyyden sulasuolakyl- vyssä. Mustalipeä syötetään karkeajakoisena suihkuna kohoaviin kuumiin kaasuihin kylvyn yläpuolelle, jolloin vettä sisältävästä mustalipeästä haihtuu vesi kuumiin kaasuihin, jolloin syntyy tuotekaasua, jonka lämpötila on alempi, ja 35 kuivia mustalipeän kiintoaineita,jotka laskeutuvat kylvyn

II

5 82727 pinnalle ja dispergoituvat siihen. Kuivat mustalipeän kiintoaineet muutetaan kylvyssä kuumaksi palavaksi kaasuksi, joka kohoaa pois kylvystä, ja alkalimetallisuoloiksi, jotka sulautuvat yhteen kylvyn sisältämien suolojen kanssa.

5 Tuotekaasuvirta, jonka lämpöarvo, kuivan kaasun mukaan laskettuna, on vähintään noin 90 Btu/scf (scf = standardikuu- 3 tiojalka) (3350 kJ/m ), poistetaan kaasuunnutusastiasta yhdessä sulasuolatuotteen, jonka rikkisisällöstä vähintään noin 90 % on alkalimetallisulfidin muodossa, kanssa. Vaikka 10 tämän keksinnön mukainen menetelmä tuottaa halutut tulokset siinä suhteessa, että siinä syntyy palavaa kaasua ja sulasuolatuote, jossa alkalimetallisulfidi on vallitsevana, menetelmää vaivaa säilytysmateriaalien syöpymis- ja tuhoutu-misongelma, jotka ongelmat liittyvät erottamattomasti tur-15 bulenttien sulasuolakylpyjen käyttöön. Vielä eräs ongelma, joka kohdataan turbulenttia sulasuolakylpyä käytettäessä, on sulien suolojen sekoittuminen kylvystä kohoaviin kaasuihin, joka ongelma voidaan minimoida ainoastaan rajoittamalla kylvyn läpi tapahtuvan kaasuvirtauksen nopeutta.

20 Niinpä tämän keksinnön päämääränä on tarjota sellai nen menetelmä vettä sisältävän mustalipeän kaasuunnuttami-seksi, jolla ei ole yhtään aikaisempien menetelmien hai-*··· toista.

Toinen tämän keksinnön päämäärä on tarjota menetelmä, : 25 jolla kyetään helposti ottamaan talteen suurin osa musta- lipeän energia- ja kemikaalisisällöstä.

Tämän keksinnön tarkempana päämääränä on tarjota sellainen menetelmä, jossa syntyy palavaa kaasumaista tuotetta ja syntyvän suolatuotteen rikkisisältö on pääasial-30 lisesti sulfidimuodossa.

Lisäksi tämän keksinnön päämääränä on tarjota mene-. telmä, joka ei vaadi turbulentin sulasuolakylvyn käyttöä.

Vielä eräs tämän keksinnön päämäärä on tarjota sellainen menetelmä, jossa palavan kaasun korkeampi lämpö- 3 .·.··, 35 arvo on vähintään noin 90 Btu/scf (3350 kJ/m ) .

6 82727

Muut tämän keksinnön päämäärät ja edut ilmenevät seuraavasta yksityiskohtaisesta selostuksesta.

Yleisesti ilmaistuna tämä keksintö tarjoaa menetelmän vettä sisältävän mustalipeän kaasuunnuttamiseksi, 5 jossa menetelmässä syntyy palavaa kaasua ja mustalipeän rikkisisältö muutetaan jokseenkin täydellisesti sulfidik-si. Menetelmä käsittää sellaisen reaktorin, joka sisältää kuivaus- ja kaasuunnutusvyöhykkeen kaasuunnutusvyöhykkeen sijaitessa kuivausvyöhykkeen alapuolella, järjestämisen 10 käytettäväksi. Lämpöhäviöitä rajoitetaan järjestämällä ainakin reaktorin alaosan ympärille eristysainekerros. Kuivaus- ja kaasuunnutusvyöhykkeissä paine pidetään noin 1 atm:n ja 50 atm:n välillä, ja kaasuunnutusvyöhykkeen pohjalla pidetään kerros huokoista, kiinteätä, hiilipitoista 15 ainetta. Kaasuunnutusvyöhykkeeseen syötetään happipitoista kaasua määrä, joka on enintään noin 60 % mustalipeän täydelliseen palamiseen vaadittavasta määrästä, sellaisten palamis- ja kaasuuntumisreaktioiden aikaansaamiseksi, jotka riittävät pitämään lämpötilan kaasuunnutusvyöhykkeessä 20 sijaitsevan kerroksen yläpinnalla noin 870°C:n (1600°F:n) ja 1200°C:n (2200°F:n) välillä. Kuivausvyöhykkeeseen syötetään väkevöityä mustalipeää, jonka kiintoainepitoisuus on vähintään 45 % ja korkeampi lämpöarvo (HHV, higher heating value) vähintään noin 3200 Btu/lb (7440 kj/kg), veden 25 haihduttamiseksi vesipitoisesta mustalipeästä saattamalla i se kosketuksiin kaasuunnutusvyöhykkeestä kohoavan kuuman palavan kaasun kanssa, jolloin syntyy tuotekaasua, jonka lämpötila on alempi, ja kuivia mustalipeän kiintoaineita, jotka laskeutuvat kaasuunnutusvyöhykkeeseen ja siinä ole-30 van kerroksen pinnalle. Kuivatut mustalipeän kiintoaineet muutetaan kuumaksi palavaksi kaasuksi,joka kohoaa pois ..· kaasuunnutusvyöhykkeestä, ja alkalimetallisuoloiksi, jotka : sulavat ja tunkeutuvat alaspäin kerroksen läpi. Tuotekaa- suvirta,jonka korkeampi lämpöarvo, kuivan kaasun mukaan 35 laskettuna, on vähintään noin 90 Btu/scf (3350 kJ/m ), pois-

II

> 82727 tetaan kuivausvyöhykkeestä, ja sulate, jonka rikkisisäl-löstä vähintään noin 80 % on alkalimetallisulfidin muodossa, poistetaan kaasuunnutusvyöhykkeestä.

Piirustuksissa 5 kuvio 1 on käyrä, joka kuvaa tämän keksinnön mu kaisessa prosessissa tuotetun kaasun lämpöarvoa reaktorista poissiirtyneen lämmön funktiona, ja kuvio 2 on osaksi poikkileikkausmuodossa oleva kaaviokuva eräästä tämän keksinnön mukaisen prosessin to-10 teutuksessa käyttökelpoisen reaktorin ja siihen liittyvän laitteiston toteutusmuodosta.

Osana paperin valmistusprosessia puusta massaa valmistettaessa saatu mustalipeä sisältää palavaa orgaanista ainetta, alkalimetallisulfidia ja -hydroksidia sekä eri-15 laisia alkalimetallien happi-rikki-yhdisteitä. Tavallisesti nämä yhdisteet ovat natriumsulfaatti, -tiosulfaatti ja -sulfiitti. Paperin valmistusprosessin taloudellisuus edellyttää, että mustalipeästä erotetaan suurin piirtein kaikki palava aine ja arvokkaat alkalimetalliaineosat ja 20 happi-rikki-yhdisteet muutetaan alkalimetallisulfidiksi prosessiin palauttamista varten alkuperäistä alkalimetallisulf idia hapettamatta.

Tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä väkevöity • mustalipeä kuivataan saattamalla se kosketuksiin ylöspäin 25 kohoavan, palavasta kaasusta koostuvan kaasuvirran kanssa kuivausvyöhykkeessä ja kaasuunnutetaan sitten antamalla sen reagoida ilman tai jonkin muun happipitoisen kaasun : kanssa kaasuunnutusvyöhykkeessä, jossa lämpötila on kor kea, sellaisissa olosuhteissa, joissa tuloksena on osit-30 täinen hapettuminen. Mustalipeän sisältämät epäorgaaniset suolat sulatetaan, ja sen sisältämät rikkiyhdisteet pelkistetään saattamalla ne kosketuksiin kaasuunnutusvyöhyk-keen pohjalla olevan, kiinteästä hiilipitoisesta materi-\ . aalista koostuvan, huokoisen kerroksen (jota kutsutaan hii- 35 likerrokseksi) kanssa. Tämän keksinnön mukainen menetelmä 8 82727 soveltuu erityisesti erilaisten mustalipeäsyöttömateriaa-lien kaasuunnuttane seen ja muuttamiseen hyödyllisiksi tuotteiksi. Mustalipeä on edullista väkevöidä sellaiseen tilavuuteen, että sen kiintoainepitoisuus on noin 45-75 % ja 5 korkeampi lämpöarvo (HHV) vähintään noin 3200 Btu/lb (7440 kJ/kg). Korkeampi lämpöarvo määritetään normaalisti pommikalorimetrillä, ja sillä tarkoitetaan sitä lämpöä, joka vapautuu, kun kaikki mustalipeän alkuaineet hapetetaan täydellisesti, so hiili hiilidioksidiksi, vety vedeksi (nes-10 teeksi) ja rikki sulfaatiksi.

Kaasuunnutusvyöhykkeestä tapahtuvat lämpöhäviöt minimoidaan, jotta mahdollistetaan riittävän korkean lämpötilan saavut telminen epäorgaanisten suolojen sulattamiseksi ja edistetään kaasuuntumis- ja suolojen pelkistymisreaktioita, 15 polttamalla syötetyn mustalipeän sisältämä hiilipitoinen materiaali osittain, siis edellyttämättä täydellistä palamista kuten aikaisemmissa menetelmissä. Kaasuunnutusvyö-hykkeeseen syötetään nimenomaan korkeintaan noin 60 % siitä happimäärästä, joka vaaditaan täydelliseen palamiseen 20 (joka määritellään kaiken hiilipitoisen materiaalin sisältämän hiilen ja vedyn muuttumiseksi C02:ksi ja IVOiksi, ilman että rikki hapettuu), noin 870-1200°C:n (1600-2200°F) lämpötilan aikaansaamiseksi. Osittaispalamis- ja kaasuun-^ tumisreaktiot johtavat huomattavia määriä CO:ta ja H2:ta 25 sisältävän palavan kaasun, jonka lämpötila on korkea ja joka virtaa ylöspäin kaasuunnutusvyöhykkeestä kuivausvyö-hykkeeseen, jossa se kuumentaa syötetyn mustalipeän ja saa aikaan veden haihtumisen siitä, syntymiseen. Veden haihduttamisen vaatima huomattava energia saadaan pääasias-30 sa palavan kaasun vapaasta lämmöstä eikä lisäpoltosta. Siksi palava kaasu jäähtyy kulkiessaan kuivausvyöhykkeen läpi.

Kaasuunnutusvyöhykkeeseen on lisättävä riittävästi happea, jotta taataan suurin piirtein kaiken mustalipeän sisältämän hiilipitoisen materiaalin muuttuminen kaasumai-35 siksi aineosiksi, kuten CO:ksi, C02:ksi, H2:ksi, H20:ksi ja il 9 82727 CH^:ksi. Pieni määrä mustalipeän sisältämästä hiilestä voi poistua systeemistä sulien suolojen mukana suspen-doituneina alkuainehiilihiukkasina tai natriumkarbonaattina. Tavallisesti täydellisen kaasuuntumisen takaami-5 seksi vaaditaan vähintään 30 % siitä happimäärästä, jonka täydellinen palaminen vaatii.

Energian häviämättömyys kaasuunnutusvyöhykkeestä on perusedellytys sopivan palavan kaasun, so kaasun, jonka lämpöarvo, kuivan kaasun pohjalta laskettuna, on vä-10 hintään 90 Btu/scf (3350 kJ/m ), syntymiselle. Liian suuri lämpöhäviö tai lämmön siirtyminen edellyttää täydellisempää palamista vaadittavan energian vapautumiseksi, mikä puolestaan edellyttää suurempaa ilman ja syötetyn mustalipeän suhdetta ja johtaa kaasuun, jonka lämpöarvo on 15 alempi. Tomlinsonin kattilassa, jossa lämpöä siirretään tarkoituksellisesti höyryn kehittämiseksi, esimerkiksi syntyy palamatonta savukaasua. Lärcpöhäviön tai lämmön siirron suoraa vaikutusta tuotekaasun lämpöarvoon tyypillisissä toimintaolosuhteissa valaisee kuvio 1.

20 Kaasuunnutusvyöhykkeessä tapahtuvien osittaispala- misreaktioiden on kehitettävä riittävästi lämpöä (1) kaasuunnutusvyöhykkeeseen saapuvan syöttöilman ja kui- vattujen mustalipeähiukkasten lämpötilan kohottamiseksi '.‘.'I vyöhykkeestä poistuvan kaasu- ja sulasuolavirran lämpö- 25 tilaan, (2) kuivatuissa mustalipeähiukkasissa mahdollisesti jäljellä olevan veden haihduttamiseksi, (3) epäorgaanisten suolojen haihduttamiseksi, (4) energian tuottamiseksi endotermistä rikin pelkistys-30 reaktiota ja endotermisiä kaasuunnutusreaktioita varten ja (5) kaasuunnutusvyöhykkeen seinämien ja pohjan läpi joh-tumalla sekä ylöspäin kuivausvyöhykkeeseen säteilemällä tapahtuvien lämpöhäviöiden korvaamiseksi.

- · Kuten edellä on huomautettu, lämmön kehitystarpeen 35 minimointi on ratkaisevan tärkeätä. Tämä saavutetaan kek- 10 82727 sinnön eri yksityiskohtien avulla, joihin kuuluvat syöttö-ilman esikuumentaminen vähintään 150°C:n (300°F), edullisesti vähintään 260°C:n (500°F), lämpötilaan; syötetyn mus-talipeän kuivaus ja kuumentaminen ennen sen saapumista kaa-5 suunnutusvyöhykkeeseen mieluummin tuotekaasusta saatavan vapaan lämmön avulla kuin kehittämällä lämpöä hiilipitois-ten materiaalien lisäpoltolla; ja kaasuunnutusvyöhykkeestä johtumalla säteilemällä tapahtuvien lämpöhäviöiden rajoittaminen korkeintaan noin 15 %:iin mustalipeäsyöttömateriaalin 10 lämpöarvosta. Lämpöhäviöitä voidaan rajoittaa sopivilla rakenteellisten seikkojen yhdistelmillä sekä lämpöeristyksellä. Lämpöhäviöt syöttöyksikköä kohden ovat yleensä pienempiä suurissa systeemeissä, koska kapasiteetti kasvaa nopeammin kuin ulkopinta-ala, ja korkeapainesysteemeissä, 15 koska paineen kohottaminen lisää yksikön kapasiteettia yksikön koon pysyessä vakiona. Yksittäisten kaasuunnutusyk-siköiden kapasiteetit ovat edullisesti suurempia kuin noin 90 tonnia mustalipeäsyöttömateriaalia päivässä ja käyttö-paineet edullisesti suurempia kuin noin 4 atm.

20 Nyt kuvataan tyypillistä, tämän keksinnön käytännön sovellutuksissa käyttökelpoista reaktoria ja siihen liittyvää laitteistoa esittäen samalla viittauksia piirrosten kuvaan 2. Reaktori 10 sisältää kuivausvyöhykkeen 12, joka sijaitsee kaasuunnutusvyöhykkeen 14 yläpuolella. Reaktorin .r 25 10 ulkoseinä 16 on varustettu eristysainevuorauksella 18, joka kykenee kestämään reaktorin 10 sisällä vallitsevia : lämpötiloja ja muita olosuhteita. Eristysainevuorauksesta 18 tehdään riittävän paksu reaktorista 10 tapahtuvien lämpöhäviöiden rajoittamiseksi mahdollisimman pieniksi, järke-30 vissä rajoissa. Käsiteltävä mustalipeä syötetään (lähde ei näy kuvassa) putkea 20 pitkin pumppuun 22. Pumpusta 22 mustalipeä syötetään reaktoriin 10 suihkutusjärjestelmän 24 kautta, joka ruiskuttaa mustalipeän karkeana suihkuna kuivausvyöhykkeen 12 yläosaan.

35 Reaktori on myös varustettu kaasun syöttöjärjestel-

II

n 82727 mällä, joka sisältää syöttöputken 30 happipitoista kaasua (tavallisesti ilmaa) varten, joka putki johtaa kompressoriin 34, jota käyttää moottori 36. Käytettäessä reaktoria 10 suurin piirtein ympäristön paineessa kompressori 5 34 voi olla puhallin. Edullisen toteutusmuodon, jossa reak toria 10 käytetään korotetussa paineessa, mukaan tarvitaan kuitenkin kompressori. Happipitoisen kaasun kokoon-puristamisella saavutetaan se etu, se myös nostaa kaasun lämpötilaa. Kompressorista 34 tuleva paineistettu happi-10 pitoinen kaasu syötetään reaktorin 10 kaasuunnutusvyönyk-keeseen 14 jakoputkiston 38 ja reaktorin kehällä olevien kaasunsuihkutusaukkojen 42 ja 44 muodostaman järjestelmän kautta. Kaasunsuihkutusaukot 42 ja 44 on järjestetty suuntaamaan happipitoinen kaasu hiilipitoista pelkistysaine-15 kerrosta (hiilikerrosta 46) kohti, joka sijaitsee reaktorin 10 pohjaosaa peittävän, tulenkestävistä tiilistä 26 muodostetun vuorauksen päällä.

Lisäksi reaktori 10 on varustettu poltinosalla 47 kuuman kaasuvirran järjestämiseksi reaktoriin 10 sen esi-20 lämmittämiseksi ennen prosessin käyntiinlähtöä ja mahdollisesti lisälämmönlähteen tarjoamiseksi prosessin aikana. Normaalin prosessin aikana hiilikerrokseen 46 ja sen ympärille muodostuu sulatelammikko 48, joka poistetaan sulatteen poistoputken 28 kautta umpinaiseen jäähdytyssäiliöön 25 50. Jäähdytyssäiliöön 50 johdetaan vettä putkea 52 pitkin.

Vesi jäähdyttää sulatteen 48, jolloin muodostuu viherli-peää 54, joka sisältää mustalipeästä peräisin olevia pelkistettyjä kemikaalisuoloja. Viherlipeä poistetaan säiliöstä putken 56 kautta tavallisesti selluloosankeittoprosessiin 30 palauttamista varten. Osa viherlipeästä voidaan kierrättää putkeen 52 sulatteen 48 rikkomisen helpottamiseksi. Sulatteen 48 jäähdytyksen aikana syntyy kuumaa tuotekaasua, jo-ka sisältää pääasiassa vesihöyryä ja joka poistetaan jäähdy-‘ tyssäiliöstä 50 putken 58 kautta.

:*: . 35 Takaisin reaktoriin 10 palataksemme lähelle kuivaus- i2 82727 vyöhykkeen 12 yläosaa on järjestetty kaasun poistoputki 66 kuumien tuotekaasujen poistamiseksi reaktorista 10. Putki 66 huolehtii kuumien kaasujen siirtymisestä reaktorista 10 lämmön talteenottolaitteeseen, kuten höyrygene-5 raattoriin 68, joka on tyypillisesti varustettu veden tu-loputkella 70 ja höyryn poistoputkella 72. Huomautettakoon, että myös putki 66 ja höyrygeneraattori 68 on varustettu eristysainekerroksella 18 systeemistä tapahtuvien lämpöhäviöiden vähentämiseksi.

10 Höyrygeneraattori 68 on varustettu kaasun poisto- putkella 74, joka on virtausyhteydessä putken 58 kanssa höyrygeneraattorista 68 ja jäähdytyssäiliöstä 50, tässä järjestyksessä, tulevien kaasuvirtojen yhdistämiseksi. Yhdistetyt kaasuvirrat saapuvat lämmönvaihtimeen, kuten 15 esimerkiksi lauhduttimeen 60, jossa ne jäähdytetään huomattavan vesihöyrymäärän poistamiseksi niistä. Kuten piirroksessa on esitetty, kaasut jäähdytetään saattamalla ne epäsuoraan kosketukseen jäähdytysnesteen kanssa, joka kulkee jäähdytysnesteen tuloputkella 62 ja poistumis-20 putkella 64 varustetun kierukan läpi. Yhdistetyistä kaasuista tiivistetty vesihöyry kerätään lauhduttimen 60 alaosaan 91 ja palautetaan edullisesti jäähdytyssä!liöön 50 putkea 92 pitkin.

Yleensä lauhduttimesta 60 poistuvat kaasut johde-25 taan happamia kaasuja absorboivan laitteen, tavallisesti absorptiotornin 76, läpi. Hapanta kaasua absorboiva aine syötetään absorptiolaitteeseen 76 putken 80 ja dispergoin-tilaitteen, kuten esimerkiksi sumutussuuttimien 84, kautta siten, että absorptiolaitteen 76 läpi kulkevat kaasut 30 joutuvat kosketuksiin vastakkaiseen suuntaan kulkevan absorbenttivirran kanssa. Se, mitä nimenomaista happaman kaasun absorbenttia käytetään, ei ole ratkaisevaa, vaikka metyylidietanoliamiinin vesiliuos onkin edullinen, koska se poistaa tehokkaasti happaman kaasun ja sen selektii-35 visyys haitallisempien happamien kaasujen, kuten ^Sin

II

i3 82727 ja vastaavien, suhteen on suuri. Prosessivirtaa, kuten esimerkiksi laimeata musta- tai viherlipeää, voidaan käyttää happamien kaasujen absorbointiin. Kaasusta poistettuja happokaasuaineosia sisältävä happokaasuabsorbentti pois-5 tetaan putken 82 kautta. Absorptiolaitteesta 76 poistuva kaasu johdetaan ulos venttiilin 88 ja putken 80 kautta suurin piirtein puhdistettuna haitallisista happokaasuai-neosista ja sopivana käytettäväksi kaasuturbiinien polttoaineena tai muihin tarkoituksiin.

10 Niin suuressa määrin kuin höyrygeneraattorien, lauh- duttimien ja absorptiolaitteiden toiminta kuuluukin asiaan, seuraavassa käsitellään pääasiassa reaktorin 10 toimintaa, joka muodostaa yhden tämän keksinnön tärkeimmistä aspekteista .

15 On toivottavaa, että kaasuunnutusvyöhykkeen käyttö- lämpötila pysyy suhteellisen muuttumattomana, esimerkiksi 1000°C:na hiilikerroksen 46 yläpuolella sijaitsevassa kaa-sutilassa. Tämä voidaan saavuttaa säätämällä ilma-musta-lipeäsuhdetta ylös- tai alaspäin lämpötilan nostamiseksi 20 tai laskemiseksi sen mukaan, mitä halutun arvon säilyttäminen vaatii. Mikäli muut parametrit, kuten mustalipeän koostumus, ilman esi lämmitys ja lämpöhäviöt, pysyvät muuttumattomina, tämä toimintatapa johtaa tuotekaasun, jonka .···. koostumus ja lämpöarvo on suhteellisen vakio, syntymiseen.

25 Tuotekaasun lämpöarvoa voidaan haluttaessa nostaa syöttä-mällä kaasuunnutusvyöhykkeeseen sellaista polttoainetta, jolla on korkea lämpöarvo, kuten öljyä tai kiviöljykoksia, kohottamalla syöttöilman lämpötilaa tai vähentämällä läm-pöhäviöitä esimerkiksi eristystä lisäämällä. Tuotekaasuun 30 voidaan tietysti myös lisätä suoraan kaasumaista polttoainetta, kuten maakaasua tai haihtuvia hiilivetyjä, sen lämpöarvon nostamiseksi.

Esilämmitetty ilma syötetään kaasuunnutusvyöhyk-keeseen hiilikerroksen ympärillä ja yläpuolella sijaitse-35 vien aukkojen 42 ja 44 kautta. Osa ilman sisältämästä ha- i4 82727 pestä reagoi kaasufaasin ja laskeutuvien kuivattujen mus-talipeähiukkasten palavien aineosien kanssa, jolloin välittömästi hiilikerroksen yläpuolelle mutta kuivausvyöhykkeen alapuolelle syntyy vyöhyke, jossa lämpötila on korkea.

5 Hiilikerroksen 46 pintaan osuva, ilman sisältämä reagoimaton happi reagoi välittömästi kerroksen kiinteän hiilen kanssa reaktioyhtälöiden:

1/2 02 + C -> CO

10 o2 + c-> co2 mukaisesti.

Kerros 46 on huokoinen, mikä mahdollistaa hapen 15 tunkeutumisen useita tuumia sen sisään, jolloin muodostuu aktiivinen kerros, jossa kaasuuntuminen, sulaminen ja rikkiyhdisteiden pelkistyminen tapahtuu. Sulate 48 tunkeutuu alaspäin hiilikerroksen läpi pelkistyen edelleen reagoidessaan hiilen kanssa ja virtaa edelleen kerroksen reunan 20 läpi ulosvalumisaukolle. Stationaarisen prosessin aikana hiilikerroksen korkeus on suhteellisen vakio. Reaktiossa hapen tai happi-rikkiyhdisteiden kanssa kuluva hiili korvautuu jatkuvasti hiilellä, jota on jäljellä kerroksen pinnalle laskeutuvissa hiukkasissa. Kerroksen korkeutta voi-25 daan muuttaa muuttamalla eri syöttöilma-aukkojen kautta kulkevan syöttöilman suhteellisia määriä, ilman ja/tai mus-talipeän syöttönopeutta tai muita käyttöparametreja.

Sula suola, joka muodostaa sulatteen 48, kerääntyy hiilikerroksen pohjalle ja virtaa ulos kaasuunnutusvyö-30 hykkeestä jäähdytyssä!liöön, jossa se liukenee veteen, jolloin muodostuu viherlipeää. Jäähdytyssäiliön käyttöpaine on edullisesti sama kuin kaasuunnutusvyöhykkeen, jotta vältetään sulan suolan mukaan toimivan paineensäätelyvent-tiilin tarve. Viherlipeä, joka sisältää liuennutta natrium-35 sulfidia, voidaan kierrättää takaisin selluloosankeitto-

II

is 82727 prosessiin tai käyttää muihin tarkoituksiin.

Kuivausvyöhykkeestä 12 kohoava kaasu sisältää CO:ta, H2=ta, ^Orta, CC^sta, CH^rä ja ilmaa käytettäessä N2:ta sekä erilaisia vähäisiä aineosia ja epäpuhtauksia, 5 ja sen lämpötila on noin 870-1200°C (1600-2200°F). Kaksi erityisen kiinnostuksen kohteena olevaa epäpuhtautta ovat H2S, joka on peräisin syötetyn mustalipeän sisältämästä rikistä, ja hienot natriumsuolahiukkaset, kuten natriumkarbonaatti- ja natriumsulfidihiukkaset, joita syntyy höyrys-10 tymisen ja reagoinnin tuloksena. Kaasun kulkiessa kuivaus-vyöhykkeen läpi se jäähdytetään saapumislämpötilasta, mustalipeän vesipitoisuudesta ja muista tekijöistä riippuen 350-850°C:n lämpötilaan. Se jäähdytetään edullisesti sellaiseen lämpötilaan, jossa natriumsuolahiukkaset ovat kiin-15 teitä ja joka tyypillisten suolakoostumusten ollessa kysymyksessä on noin 790°C:n alapuolella.

Kuten edellä on mainittu, reaktorin 10 kaasuunnu-tusvyöhykkeeseen 14 syötetään happipitoista kaasua mustalipeän osittaiseksi hapettamiseksi, vaadittavan lämpötilan 20 kehittämiseksi ja haluttujen tuotteiden aikaansaamiseksi. Happipitoisena kaasuna voi edullisesti olla ilma, tai haluttaessa voidaan käyttää ilmaa, jonka happipitoisuutta : on lisätty, tai puhdasta happea. Vaikka tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä on mahdollista käyttää puhdasta hap-25 pea, se on epäedullisempaa kuin ilma ja runsashappinen ilma hapen kalleuden vuoksi ja siksi, että jälkimmäinen vaihtoehto edellyttää happitehtaan sijaitsemista lähellä kaa-suunnutusreaktoria. Yleensä kaasun nopeuden pystysuunnassa sen poistuessa kaasuunnutusvyöhykkeestä ei tulisi ylittää 30 noin 6 metriä sekunnissa, ja edullisesti sen tulisi olla 0,6-4,6 m/s.

Paineen tulisi olla reaktorissa 10 suunnilleen alueella 1-50 atm ilmakehän painetta korkeampien paineiden ollessa erityisen edullisia. Edullisesti tulisi käyttää 35 noin 4-20 atm:n painetta. Ilmakehän painetta korkeampien 16 82727 paineiden käyttäminen on edullista monista eri syistä. Ilmakehän painetta korkeampien paineiden käyttö parantaa prosessiin turvallisuutta, koska korotettu paine estää räjähdykset, joita voi tapahtua sulatteen ja veden sekoit-5 tuessa sulatetta jäähdytettäessä. Ilmakehän painetta korkeampien paineiden käyttö pienentää tuotekaasun tilavuutta ja siten prosessin edellyttämän laitteiston kokoa jopa noin 20-kertaisesti. Tämä alentaa sekä kustannuksia että lämpö-häviöitä. Lisäksi suolojen höyrystyminen vähenee, mikä pois-10 taa prosessissa syntyvän kaasun laajamittaisen puhdistuksen tarpeen. Korotettu paine helpottaa höyryfaasiepäpuh-tauksien, kuten rikkivedyn, poistamista tuotekaasusta absorptio- tai adsorptiomenetelmillä. Vielä eräs etu, joka saavutetaan toteutettaessa prosessi korotetussa paineessa, 15 on prosessin parempi lämpöhyötysuhde, joka on seurausta sulatteen lämpöenergian osittaisesta talteensaannista, jonka tekee mahdolliseksi jäähdytyssäiliöliuoksen kiehumispisteen kohoaminen painetta nostettaessa. Vielä eräs etu on se, että saatavan tuotekaasun paine on sellainen, joka vaa-20 ditaan sen käyttämiseksi myöhemmissä prosesseissa, kuten esimerkiksi syöttämiseksi kaasuturbiiniin.

Kaasuunnutusvyöhykkeessä 14 lähellä hiilikerroksen 46 yläpintaa lämpötila pidetään suunnilleen alueella 870-1200°C (1600-2200°F), edullisesti suunnilleen alueella 25 900-1070°C (1650-1950°F). Huomautettakoon, että lämpötila kaasuunnutusvyöhykkeessä ei ole aivan tasainen. Normaalisti lämpötila on korkein hiilikerroksen pinnalla, jossa sisään suihkutettu happi reagoi tarjolla olevan hiilen kanssa. Hiilikerroksen sisällä lämpötilat voivat olla huo-30 mattavasti alempia tapahtuvien endotermisten rikin pelkistymisreaktioiden vuoksi, ja lähellä kaasuunnutusvyöhyk-keen yläosaa lämpötilat laskevat kaasun lähestyessä kuivaus-vyöhykettä. Kuivausvyöhykkeen läpi kulkiessaan kaasuunnu-tusvyöhykkeestä kohoavat kaasut, joiden lämpötila on kor-35 kea, jäähtyvät noin 350-850°C:een lämpötilaan. Jäähtymis-

II

it 82727 ilmiö on tämän keksinnön lisäetu sikäli, että se saa aikaan nousevaan kaasuun mahdollisesti sekoittuvan sulan suolan tiivistymisen pisaroiksi ennen reaktorista poistumista. Tuloksena olevat kiinteät hiukkaset eivät tartu 5 tuotekaasun käsittelysysteemin lämmönsiirtopintoihin tai muuhun laitteistoon eivätkä syövytä niitä.

On erittäin tärkeätä, että lämpö säilyy kaasuunnu-tusvyöhykkeessä, koska lämpöhäviöt tästä vyöhykkeestä johtavat suuremman ilmamustaliepäsyöttösuhteen tarpeeseen läm-10 pötilan säilyttämiseksi ja kaasun, jonka lämpöarvo on alempi, syntymiseen. Lähes yhtä tärkeätä on kuivausvyöhykkees-tä tapahtuvien lämpöhäviöiden minimointi, koska tästä vyöhykkeestä tapahtuvat lämpöhäviöt alentavat pääasiassa lämpötilaa mutta eivät tuotekaasun lämpöarvoa. Molemmista vyö-15 hykkeistä tapahtuvia lämpöhäviöitä vähennetään käyttämällä eristysainetta 18. Mitä tahansa sopivaa eristystä voidaan käyttää tähän tarkoitukseen. Huokoisia eristysmattoja, valettavaa tulenkestävää ainetta, tulenkestäviä tiiliä, lasikuitua ja laattoja voidaan esimerkiksi käyttää tähän tar-20 koitukseen. Materiaalien, jotka ovat kosketuksissa sulan suolan, jonka lämpötila on korkea, ja suolahöyryjen kanssa, täytyy kestää näiden aineiden vaikutusta. Esimerkiksi sula-valetut alumiinilaatat, joiden puhtausaste on korkea, on todettu melko kestäviksi.

25 Tarve pitää lämpöhäviöt mahdollisimman pieninä voi daan ymmärtää täysin tarkasteltaessa kuvaa 1, joka kuvaa tuotekaasun lämpöarvon riippuvuutta kaasuunnutusvyöhyk-keestä johtumalla tai säteilemällä poissiirtyneestä lämmöstä. Käyrä pohjautuu mustalipeäsyöttömateriaaliin, jonka 30 korkeampi lämpöarvo on 4119 Btu/lb (9581 kJ/kg) ja lämpötila 104°C (220°F). Sen pohjana on myös syöttöilman lämpötila 370°C (700°F), kaasuunnutusvyöhykkeen keskimääräinen lämpötila 1000°C (1832°F) ja rikkiyhdisteiden suurin piirtein 10Q-%:nen konversio sulfidimuotoon. Kuten käyrästä 35 voidaan nähdä, jos tuotekaasun korkeamman lämpöarvon halu- ie 82727 taan olevan vähintään noin 90 Btu/scf (3350 kH/m^), pois-siirtyneen lämmön osuus on pidettävä suhteellisen pienenä suhteessa mustalipeän lämpöarvoon. Yleensä poissiirtynyt lämpö, joka on sama kuin lämpöhäviöt kaasuunnutusvyöhyk-5 keestä, ei saisi olla enempää kuin noin 15 % mustalipeän korkeammasta lämpöarvosta, eikä edullisesti enempää kuin 10 % mustalipeän lämpöarvosta. Kuvassa 1 noin 1400 kJ/kg:n (600 Btu/lb) suuruinen lämmön poissiirtyminen on edullisen toiminta-alueen ulkopuolella ja vastaa noin 15 % mustalipeän 10 korkeammasta lämpöarvosta, joka on 4119 Btu/lb (9581 kJ/kg).

Lämpöhäviöiden estäminen on yksi tämän keksinnön tärkeä yksityiskohta ja jyrkkä vastakohta sovellutuksille, joissa käytetään Tomlinsonin kattilaa tai jotakin sen vastinetta, jossa mustalipeän poltossa syntynyt lämpö käytetään ve-15 den muuttamiseen höyryksi reaktorissa sijaitsevissa kattila-putkissa. Sen sijasta, että lämpöä siirretään pois tällä tavalla, on todettu välttämättömäksi estää lämpöhäviöt palavan tuotekaasun, jolla on toivottu korkeampi lämpöarvo, tuottamiseksi. Erityisesti, jos tuotekaasun korkeamman lämpöar-20 von halutaan olevan vähintään noin 90 Btu/scf (3350 kJ/m ), on välttämätöntä suunnitella systeemi sellaiseksi, että lämpöhäviöt eivät ole enempää kuin noin 15 % mustalipeän korkeammasta lämpöarvosta, kuten edellä on mainittu. Kaasuunnu tusvyöhykkeestä ylöspäin viileämpään kuivausvyöhyk-25 keeseen säteilemällä tapahtuvien lämpöhäviöiden rajoittamiseksi on välttämätöntä rajoittaa reaktorin poikkileikkauspinta-alaa kuivausvyöhykkeen pohjan kohdalla. Esimerkiksi poikkipinta-ala, jokta on pienempi kuin noin 0,001 m mus-talipeäsyöttöä 0,45 kg/h kohden rajoittaa säteilyhäviöt 30 enintään noin 600 Btuihun naulaa kohden mustalipeää (1400 kJ/kg) tyypillisissä toimintaolosuhteissa. Koska myös jonkin verran lämpöhäviöitä voidaan odottaa tapahtuvan seinämien läpi johtumalla ja kokonaislämpöhäviön on toivottavaa olla selvästi pienempi kuin 600 Btu naulaa kohden syö-35 tettyä mustalipeää (1400 kJ/kg), poikkipinta-alan on edul-

II

19 82727 2 lista olla pienempi kuin noin 0,00075 m mustalipeä-syöttöä 0,45 kg/h kohden. Siten kaupallinen yksikkö, joka pystyisi käsittelemään 90 tonnia mustalipeäsyöttö-materiaalia päivässä (3800 kg/h), vaatisi reaktorin, 5 jonka poikkileikkauspinta-ala on alle 6,2 m eli sisä-halkaisija pienempi kuin noin 2,7 m kuivausvyöhykkeen pohjan kohdalla.

Kuviossa 1 esitetyssä ja edellä olevan pohdinnan kohteena olleessa lämpöhäviössä tai lämmön poissiirtymi-]_q sessä on kysymys ainoastaan siitä lämmöstä, joka poistuu kaasuunnutusvyöhykkeestä säteilemällä tai johtumalla seinämien sisään tai läpi ja jota siis voidaan säädellä suunnittelemalla systeemi sopivalla tavalla. Lisäksi on tärkeätä kuivata mustalipeä täysin, ennen kuin se saapuu 15 kaasuunnutusvyöhykkeeseen, jotta lämpöä ei kulu veden haihduttamiseen, ja esikuumentaa ilma sen lämpötilan kohottamiseen tarvittavan lämpömäärän minimoimiseksi. Tiettyjä lämpöhäviöitä ei kuitenkaan voida välttää, ja niiden ylärajaksi asetetaan noin 75 % siitä mustalipeän lämpöarvos-20 ta, joka on muutettavissa tuotekaasun lämpöarvoksi. Sellaisia lämpöhäviöitä, jotka eivät ole vältettävissä, ovat tuotekaasun ja tuotesulatteen vapaa lämpö sekä sulatteen sisältämän sulfidin lämpöarvo.

Halutun vettä sisältävän mustalipeän kaasuuntumi-25 sen saavuttamiseksi tämän keksinnön mukaisessa prosessissa vettä sisältävä mustalipeä syötetään reaktorin 10 kuivaus-vyöhykkeeseen 12 sillä tavalla, että riittävästi mustalipeän pintaa joutuu suoraan kosketukseen ylöspäin kohoavan kuuman kaasuvirran kanssa. Mustalipeä voidaan suihkuttaa 30 reaktoriin alaspäin laskeutuvien pisaroiden, jotka kuivuvat kaasuunnutusvyöhykkeestä kohoavien kaasujen vaikutuksesta veden haihtuessa mustalipeästä, ennen kuin se saavuttaa hiilikerroksen pinnan, muodostamiseksi. Siten kerroksen pinnalle laskeutuu suurin piirtein kuivia musta-35 lipeän kiintoainehiukkasia. Suihkutushiukkasia voi myös 20 82727 iskeytyä astian sisäseiniin kuivausvyöhykkeessä tarttuen kiinni niihin ja kuivuen, jolloin muodostuu hiilipitoises-ta aineesta ja suoloista koostuvia kerrostumia, jotka sitten laskeutuvat seinämiltä hiilikerroksen pinnalle ja kaa-5 suuntuvat ja pelkistyvät halutulla tavalla. Ei kuitenkaan ole toivottavaa syöttää mustalipeää niin hienona suihkuna, että kuivatut hienojakoiset mustalipeän kiintoaineet sekoittuvat kaasuunnutusvyöhykkeestä kohoaviin kuumiin kaasuihin. Suihkun karkeusaste säädetään sellaiseksi, että ta-10 pahtuu riittävä kuivuminen sekoittumisen kuumiin kaasuihin ollessa mahdollisimman vähäistä.

Mustalipeän kiintoaineiden kaasuuntumisen tuloksena syntyneen kaasun ylempi lämpöarvo, kuivan kaasun mukaan laskettuna, on vähintään noin 90 Btu/scf (3350 kj/m ), mi-15 kä johtuu pääasiassa CO:n, H2:n ja CH^:n mukanaolosta. Kaasun kohotessa mustalipeän kuivausvyöhykkeen läpi sen vesi-höyrypitoisuus kohoaa ja lämpötila laskee mustalipeästä tapahtuvan veden haihtumisen seurauksena. Lisäksi vesihöyryn lisääntyminen aiheuttaa seuraavan vesi-kaasuvaihtoreak-20 tion: CO + H20 = CO2 + H20. Tämä johtaa kaasun koostumuksen muuttumiseen siten, että kuivausvyöhykkeen yläosasta poistuva kaasu sisältää vähemmän CO:ta ja enemmän H2:ta kuin kaasuunnutusvyöhykkeestä poistuva kaasu. Reaktio ei kuitenkaan muuta olennaisesti korkeampaa lämpöarvoa.

25 Kuivausvyöhykkeestä poistuva kaasu voidaan käsi tellä monin tavoin. Sen vapaa lämpö käytetään edullisesti höyryn tuottamiseen tai muuhun lämmitystarkoitukseen höyrygeneraattorissa 68. Useimmissa tapauksissa on toivottavaa, että kaasusta poistetaan vesihöyry, hienojakoiset 30 suolahiukkaset ja H2S ennen sen käyttämistä. Nämä vaiheet voidaan toteuttaa tavanomaisessa laitteistossa, kuten lauh-duttimessa 60 vesihöyryn poistamiseksi, absorptiotorneissa, joissa käytetään emäksisiä liuoksia, H2S:n imeyttämiseksi ja kaasunpesulaitteissa tai kangassuodattimilla hiukkasmai-35 sen materiaalin poistamiseksi. Sellaisissa vaiheissa tai- I! 2i 82727 teensaatu vesi, suola ja rikki voidaan kierrättää takaisin selluloosanvalmistuslaitokseen tai kaasuunnutuspro-sessiin. Joissakin tapauksissa saattaa olla toivottavaa puhdistaa tuotekaasu sen poistuessa kaasuunnutuslaittees-5 ta jäähdyttämättä sitä enempää, jotta kaasun ja vesihöyryn sisältämä vapaa lämpö ja puristusenergia voidaan käyttää hyväksi kaasuturbiinissa tai jossakin muussa energianmuut-tosysteemissä.

Kuten on mainittu, sulate virtaa kaasuunnutusvyöhyk-10 keestä 14 jäähdytyssäiliöön 50, jossa se liuotetaan veteen kaasuunnutusvyöhykkeen paineessa. Sulate jähmettyy ja tukkii virtausväylän, mikäli sen annetaan jäähtyä noin 760°C:n (1400°F) alapuolelle sen ollessa poistosuuttimessa. Tästä syystä on toivottavaa antaa osan kaasuunnutusvyöhykkeestä 15 saatavasta kaasusta, jonka lämpötila on korkea, virrata sulatteen poistoputken läpi, jotta helpotetaan korkean lämpötilan ylläpitämistä tässä putkessa. Tämä kaasu virtaa jäähdytyssäiliöön 50, josta se johdetaan tuotekaasu-systeemiin kaasuunnutuslaitteen jälkeen sijaitsevaan koh-20 taan. Muitakin keinoja, kuten lisäpolttimia ja mekaanisia rikkomissysteemejä, voidaan käyttää sulatteen virtausväy--- Iän pitämiseksi avoimena.

Esimerkki Tämän keksinnön käyttökelpoisuuden osoittamiseksi 25 hankittiin erä mustalipeää, joka oli peräisin kaupallisesta paperin valmistusprosessista. Mustalipeän analyysi on esitetty taulukossa 1. Suoritettiin kolmen kokeen sarja syöttämällä mustalipeä laboratoriokokoa olevan reaktorin, jonka läpimitta oli 15 cm, yläosaan. Ennen kokeen aloitta-30 mistä reaktorin alaosassa sijaitsevan kromioksidikappale-kerroksen päälle järjestettiin alkuhiilikerros. Reaktoriin järjestettiin kolme ilmanjakoputkea ilmavirtojen suuntaamiseksi alaspäin kohti hiilikerrosta. Tämän keksinnön selostuksessa kuvatulla tavalla tapahtuvien lämpöhäviöiden 35 rajoittamisen simuloimiseksi reaktori sijoitettiin uuniin, 22 82727 jossa ylläpidettiin sellainen korotettu lämpötila, että enintään noin 15 % mustalipeän lämpöarvosta häviäisi. Koeolosuhteet ja -tulokset esitetään taulukossa 2.

Taulukko 1 5 Mustalipeän ominaistiedot

Kokonaiskoostumus Paino-%

Vettä 35,3

Kiintoaineita 64,7 100,0 10

Alkuaineanalyysi Paino-% (kuiva-aineesta)

Hiiltä 35,1

Vetyä 4,2 15 Natriumia 19,0

Rikkiä 4,5

Happea 37,0 Vähäisiä alkuaineita 0_,2___ 100,0 20 Lämpöarvo kJ/kg HHV, märän aineen mukaan laskettuna 9581 HHV, kuivan aineen mukaan laskettuna 14810

Taulukko 2 25 Koetulokset

Ilma/mustalipeä

Stökiometrinen suhde*^ 0,36 0,48 0,50

Lämpötila, °C

Kaasuunnutusvyöhyke 1030 1080 1130 30 Kuivausvyöhyke 740 800 825

Tuotekaasun koostumus Tilavuus-%, kuiva-aineesta C02 11,1 12,7 13,6 C2H4 0,33 0,27 0,27 35 H2S 0,45 0,36 0,51

II

23 82727 (Taulukko 2 - jatkoa) H2 11,2 11,6 9,2

Ar 0,57 0,62 0,70 N2 49,7 52,5 58,1 CH4 2,41 1,61 1,89 5 CO 19,8 16,4 14,1 C2H6 0,15 0,06 0,14

Tuotekaasun HHV, kJ/m^

Kuivan aineen mukaan laskettuna 5137 4355 3834 10 m) Syöttöilman määrän suhde täydelliseen palamiseen vaadittavaan määrään. Arvo 1,0 vastaa suunnilleen ilman syöttöä 2,63 kg ilmaa/kg mustalipeää testatun mustalipeän tapauksessa.

15 Taulukosta 2 nähdään, että syntyneen tuotekaasun korkeampi lämpöarvo oli kussakin tapauksessa huomatta-vasti suurempi kuin 90 Btu/scf (3350 kj/m ). Kokeen jälkeen saatiin lisäksi sulatenäyte, ja siitä tehtiin määritys, joka osoitti, että yli 90 % sen sisältämistä alkali-20 metalli-rikkiyhdisteistä oli alkalimetallisulfidin muodossa. Tämä keksintö osoittaa siten selvästi tämän keksinnön edut ja tehokkuuden.

Alan asiantuntijoille on selvää heidän tähän selitykseen perehtyessään, että keksintöön voidaan tehdä eri-25 laisia muutoksia ja sille voidaan antaa muita toteutusmuotoja kuin tässä nimenomaan kuvatut poikkeamatta keksinnön olennaisista yksityiskohdista tai liitteenä olevien patenttivaatimusten piiristä.

Claims (13)

24 82727

1. Menetelmä vesipitoisen mustalipeän energia- ja kemikaalisisällön talteenottamiseksi saattamalla mustali-5 peä reagoimaan happipitoisen kaasun kanssa reaktorissa, jossa on kuivausvyöhyke ja reaktorin pohjalla oleva huokoisen kiinteän hiilipitoisen aineen kerros, tunnet-t u siitä, että (a) hankitaan reaktori, joka käsittää kuivaus-10 vyöhykkeen ja kaasutusvyöhykkeen, joka sijaitsee kuivaus- vyöhykkeen alapuolella; (b) mainituissa vyöhykkeissä ylläpidetään painetta, joka on alueella noin 1-50 atm; (c) kaasutusvyöhykkeen häviöitä rajoitetaan jär-15 jestämällä eristysainetta oleva kerros reaktorin alaosan ympärille; (d) kaasutusvyöhykkeeseen syötetään happipitoista kaasua osittaispalamis- ja kaasutusreaktioiden aikaansaamiseksi, jotka riittävät ylläpitämään kerroksen ylä- 20 pinnalla noin 870-1200 °C;n lämpötilan, ja kaasutusvyö-hykkeestä ylöspäin kohoavan kuuman kaasun muodostamiseksi, jolloin reaktoriin syötetyn happipitoisen kaasun kokonaismäärä on enintään noin 60 % mustalipeän täydelliseen palamiseen vaadittavasta määrästä; 25 (e) kuivausvyöhykkeeseen syötetään väkevöityä ve sipitoista mustalipeää, joka sisältää alkalimetallin hap-pi-rikki-yhdisteitä, jolloin mustalipeän kiintoainepitoi-suus on vähintään 45 paino-% ja korkeampi lämpöarvo on vähintään noin 7440 kJ/kg; 30 (f) vesipitoisesta mustalipeästä haihdutetaan vet tä saattamalla mustalipeä kosketukseen kaasutusvyöhykkeestä kohoavien kuumien kaasujen kanssa, jolloin syntyy alennetun lämpötilan omaavaa tuotekaasua ja haihdutetun mustalipeän kiintoaineita, jotka laskeutuvat kerroksen 35 pinnalle; li 25 82727 (g) haihdutetun mustalipeän kiintoaineet muutetaan kaasutusvyöhykkeessä kuumaksi palavaksi kaasuksi, joka kohoaa ylöspäin mainitusta vyöhykkeestä, ja alkalimetal-lisuoloiksi, jotka sulavat ja putoavat alaspäin ja tun- 5 keutuvat kerroksen läpi; (h) kuivausvyöhykkeen yläosasta poistetaan tuote-kaasuvirta, jonka korkeampi lämpöarvo on vähintään noin 3350 kJ/cm3 laskettuna kuivan kaasun perusteella; ja (i) kaasutusvyöhykkeestä poistetaan sulatetta, 10 jonka rikkipitoisuudesta vähintään noin 80 % on alkalime-tallisulfidin muodossa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila vaiheessa (d) pidetään noin 1000 °C:ssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alennettu lämpötila vaiheessa (f) on noin 350 - 850 eC.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paine vaiheessa (b) on noin 20 4-20 atm.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila vaiheessa (d) on noin 900 - 1070 °C.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että lämpöhäviöt vaiheessa (c) rajoitetaan enintään noin 15 %:iin mustalipeän korkeammasta lämpöarvosta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osa vaiheessa (d) muodostu- 30 neista kuumista palavista kaasuista poistetaan yhdessä sulatteen kanssa vaiheessa (i).

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (h) poistettu tuo-tekaasuvirta saatetaan lämmönvaihtimessa epäsuoraan kos- 35 ketukseen veden kanssa höyryn tuottamiseksi. 26 82727

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (h) poistettu tuo-tekaasuvirta jäähdytetään sen sisältämän veden tiivistämiseksi ja että vesi otetaan talteen ja käytetään ainakin 5 osana jäähdytysainetta, kun vaiheessa (i) poistettua sulatetta jäähdytetään.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (h) poistettua tuotekaasua käsitellään sen sisältämän H2S:n poistamisek- 10 si.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotekaasua käytetään kaasu-turbiinin polttoainelähteenä.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että alkalimetalli on natrium.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää seuraavat vaiheet: (j) vaiheesta (i) saatu sulate johdetaan jäähdy- 20 tyssäiliöön ja jäähdytetään vesiliuoksen avulla, jolloin muodostuu viherlipeää ja kosteata tuotekaasua; (k) vaiheista (h) ja (j) saadut tuotekaasut yhdistetään ja jäähdytetään niiden sisältämän veden tiivistämiseksi; ja 25 (1) vaiheessa (k) saatu tiivistetty vesi käytetään ainakin osana vaiheessa (j) tarvittavaa jäähdytysliuosta. Il 2? 82727