JP6258971B2 - 木材パルプ化プロセスにおいて弱黒液から熱を回収するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、木材パルプ化のシステム及び方法に関し、より詳しくは、弱黒液から熱を回収し、回収された熱を木材パルプ化における１つ又は複数のプロセスのために熱源として利用するシステムと方法に関する。

木材パルプ化プロセスで生成する弱黒液は通常、約１５重量％の固形分含有量を有するが、これは燃焼用には少な過ぎる。弱黒液の固形分含有量を上げるためには、通常、その固形分含有量が約７０〜９０％になるまで、弱黒液を多重効用蒸発缶で濃縮する。その後、濃縮された弱黒液は、黒液と言われる。濃縮された黒液は、次に回収ボイラーに送られ、ここで黒液は燃焼して、プロセスで灰を生成させる。

新しいパルプ工場を設計する場合、弱黒液をその大気圧の引火点より下に冷却することなく蒸解釜から蒸発装置へ送りたいという要望がある。このことは、蒸発装置における水蒸気利用を低減するという利点を有する。現行の技術では、弱黒液を、それが蒸発装置に至る前に蒸発タンク又は液冷式液体熱交換器を用いて冷却する。両方の方法とも、欠点及び短所がある。まず、蒸発タンクは発泡を起こしやすい。他方、液冷式液体熱交換器は繊維で詰まりやすい。加えて、液冷式液体熱交換器はまた、弱黒液を冷却するのに大量の凝縮液又は冷却水を必要とする。

本発明の一実施形態は、弱黒液から熱を回収し、回収された熱を木材パルプ化操業の１つ又は複数のプロセスにおいて利用するシステムと方法に関する。

本発明は、他の実施形態では、木材をパルプ化するシステムと方法を伴い、そこにおいて弱黒液は、プロセスで生成すると、冷却され、そこから熱が回収され、熱は弱黒液を濃縮するために多重効用蒸発装置で利用される。この実施形態では、弱黒液はスプレー膜蒸発器のチューブ又は導管を通って流れ、プロセスのチューブを加熱する。多重効用蒸発装置によって生成した凝縮液は、チューブの外側にスプレーされ、凝縮液は沸騰する。これによって蒸気が生成し、蒸気は多量効用蒸発装置に回され、ここで蒸気に伴う熱が多量効用蒸発装置で利用され弱黒液を濃縮する。

本発明の他の目的と効果は、以下の記載及び添付図面を精査することにより明瞭で明白となるが、但し、それらはかかる発明を単に例示するものである。

図１は、弱黒液が冷却される木材パルプ化プロセスの概略図であり、プロセスでは弱黒液から熱が抽出され、抽出された熱は木材パルプ化操業の他のプロセスで用いることができる。 図２は、木材パルプ化プロセスの概略図であり、ここでは、弱黒液は蒸発装置の上流に位置するスプレー膜蒸発器を通るように送られ、スプレー膜蒸発器は弱黒液を冷却して弱黒液から熱を抽出し、熱は下流の蒸発装置へ蒸気の形で送られる。 図３は、木材パルプ化プロセスの一部の概略図であり、スプレー膜蒸発器、及びそれと下流の多重効用蒸発装置との関係を示す。

本発明は、弱黒液を生成させる木材パルプ化プロセスに関する。本発明によれば、弱黒液はスプレー膜蒸発器１０を通るように送られ、そこが、弱黒液から熱を回収するように機能する。弱黒液から回収された熱は、パルプ工場操業の一部を形成する１つ又は複数の熱消費プロセスで利用される。図１参照。

一特定の実施形態では、スプレー膜蒸発器１０は木材パルプ化プロセスで利用され、このプロセスでは、スプレー膜蒸発器は蒸解釜１２と蒸発装置１４の間に配置される。蒸解釜１２によって生成した弱黒液は、スプレー膜蒸発器１０の中へ送られてそこを通る。典型的には多重効用蒸発缶である下流の蒸発装置１４によって生成した凝縮液は、スプレー膜蒸発器１０に送られる。凝縮液は、スプレー膜蒸発器１０の一部を形成するチューブの束上にスプレーされる。弱黒液に伴う熱がチューブの表面に伝導される。この熱は、凝縮液がチューブ上にスプレーされると、凝縮液を蒸発させ、結果的に生じた蒸気は回収され、下流の蒸発装置１４に送られ、蒸気は蒸発装置で利用され、弱黒液を濃縮することができる。図２参照。

図１及び２は、スプレー膜蒸発器１０を含む木材パルプ化プロセスを示す。スプレー膜蒸発器１０の機能と動作をさらに詳述する前に、典型的な木材パルプ化プロセスに見られる基本的なプロセスのいくつかを概観することは有益であり得る。このため、図１及び２を参照されたい。

図１を参照すると、木材チップが蒸解釜１２へ送り込まれる。木材チップは、通常白液と言われるパルプ化化学薬品と混合する。白液は水素化ナトリウム（ＮａＯＨ）と硫化ナトリウム（Ｎａ２Ｓ）を含有する。蒸解釜１２は加圧下で運転され、典型的なプロセスでは、木材チップは１６０〜１８０℃程度の温度で煮溶かされる。蒸解釜の白液は、木材の化学的マトリックス中の有機酸を中和する。リグニンと他の有機材料が白液中に溶解する。残る材料は、製紙プロセスに用いられるパルプ又は木材繊維である。白液は蒸解釜１２から抜き取られ、抜き取られると白液は、弱黒液と言われる。

通常、蒸解釜１２によって生成した弱黒液は冷却される。本発明の場合、弱黒液はスプレー膜蒸発器１０によって冷却される。その後、弱黒液は、符号１４が指す下流の蒸発装置に送られる。下流の蒸発装置１４は、蒸発器、又は多重効用蒸発缶等の一連の蒸発器を含むことができる。蒸発装置では、弱黒液が濃縮される。弱黒液は通常、約１５重量％の固形分含有量を有し、これは、燃焼用にははるかに少な過ぎる。蒸発装置１４において弱黒液を濃縮することにより、固形分含有量を大きく増加させて、濃縮された黒液を回収ボイラーで処理することが適切となるようにすることが可能である。濃縮の程度は種々であり得るが、概して弱黒液は、約７０〜９０重量％の乾燥固体にまで濃縮される。

通常、蒸発器１４によって濃縮された黒液は、約１２０℃の温度である。黒液は回収ボイラー１６中にスプレーされ、ここは通常約９００℃で運転される。実際としては、黒液は霧状にされて液滴となり、これが回収ボイラー１６中にスプレーされると、高温ガスに当って、乾燥、熱分解、そして木炭変換を受ける。木炭変換の最後に、液滴はスメルトの小さな粒子に変換され、これは一般的に、イオンの形の無機材料、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２ＣＯ３、Ｎａ２ＳＯ４、及びＮａＣＩからなる。木炭変換は通常、スメルトがボイラーを出る前に完了する。結果的に生じる可燃性ガスは、完全に燃焼させる。これは、ボイラーの周りの水チューブ中に水蒸気を生成させる。水蒸気は、次いで、他の工場プロセスで用いられ、通常は、電気エネルギーを生成させる水蒸気タービンを駆動するのに用いられる。

結果的に生じるスメルトは、溶解タンク１９に入り、ここでスメルトは水に溶解して、いわゆる緑液を形成する。緑液は、次いで、苛性化装置２０に送られ、ここで緑液は石灰つまりＣａＯと反応し、Ｎａ２ＣＯ３をＮａＯＨに変換する。溶解タンク１９に形成されたＮａ２Ｓは、変化しないまま、単に苛性化装置２０を通る。

苛性化する緑液は白液と言われ、主としてＮａＯＨとＮａ２Ｓを含有する。苛性化装置によって生成した白液は蒸解釜１２に戻されてパルプ化で再利用される。苛性化装置２０では、ＣａＣｏ３（石灰泥）が沈殿する。苛性化反応で沈殿したＣａＣｏ３は、洗浄され、石灰キルンに送られ、ここで高温に熱せられてＣａＯを再生し、再利用されることになる。

木材パルプ化プロセスでは、相当量のパルプ化化学薬品を犠牲にすることなく、生成した灰から塩化物とカリウムを除去することが望ましい。この目的を達成する既知の方法がある。例えば、米国特許出願第１３／７０９１４０号「ＣＲＰ Ｐｕｒｇｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」に見られる開示を参照されたく、尚、この文献の内容は参照により本明細書に明示的に援用されるものとする。

スプレー膜蒸発器１０の詳述に戻ると、図１及び２は、木材パルプ化プロセスにスプレー膜蒸発器が組み込まれているところを示す。スプレー膜蒸発器１０はチューブの束１０Ａを含む。スプレー膜蒸発器１０のチューブの数は決まっておらず、典型的な用途では、何千という数になることがある。さらに、これらのチューブは比較的長く、４０フィートを超えて延びることもある。一例では、チューブの直径は比較的小さく、１．５”程度である。チューブの管壁は通常寸法が０．０３５”であるが、壁厚は決まっていないことを理解されたい。

チューブの束１０Ａの周りを、ハウジング又はシェル１０Ｂが囲む。ハウジング１０Ｂの底には、供給物又は凝縮液を保持するための貯留槽１０Ｃが形成される。一連のスプレーノズル１０Ｄがチューブの束１０Ａ上に配置され、供給物ライン１０Ｅによって供給物又は凝縮液を供給される。ポンプ１０Ｆが設けられており、貯留槽１０Ｃから供給物ライン１０Ｅへ供給物又は凝縮液をポンプ動作で送り込む。供給物又は凝縮液ブローダウンライン１０Ｈが再循環ライン１０Ｇに動作可能に接続され、凝縮液が適切に排気されることを可能にする。ハウジング１０Ｂには、蒸気出口、及び供給物又は凝縮液入口が形成される。

図１に示す実施形態を見ると、スプレー膜蒸発器１０は蒸解釜１２の下流に配置される。蒸解釜によって生成した弱黒液は、スプレー膜蒸発器１０の中へ送られそこを通る。スプレー膜蒸発器１０に入る弱黒液の温度は比較的高い。一例では、蒸解釜１２によって生成した弱黒液の温度は約２３０°Ｆである。スプレー膜蒸発器１０の機能は、弱黒液を冷却することであり、プロセスにおいて弱黒液から熱を回収することである。したがって、凝縮液等、蒸発器用供給物は、スプレー膜蒸発器１０に送られる。この供給物は、蒸発器の貯留槽１０Ｃに蓄積され保持される。ポンプ１０Ｆは、供給物を供給物ライン１０Ｅにポンプ動作で送り、そこから供給物は、スプレーノズル１０Ｄ内に送られる。スプレーノズル１０Ｄは、供給物をチューブの束１０Ａ上に散布する。チューブの外側表面上（通常、約２０１°Ｆの温度であり得る）にスプレーされた供給物は、沸騰し、蒸発し、蒸気を生成させる。図１参照。このプロセスは効果的に弱黒液を冷却させ、一例では、弱黒液は、約２０３°Ｆの温度でスプレー膜蒸発器１０を出る。生成した蒸気には、パルプ工場操業で多くの用途がある。スプレー膜蒸発器１０によって生成した蒸気が利用できる数多くの熱消費プロセス又は部分がある。

図２の実施形態を見ると、弱黒液から回収された熱は、下流の蒸発装置１４を運転するためのエネルギー源として用いられる。蒸発装置１４によって生成した凝縮液は、スプレー膜蒸発器１０へと戻される。凝縮液は、高温弱黒液が中を流れるチューブ１０Ａの外側表面上にスプレーされる。弱黒液からの熱が凝縮液を沸騰、蒸発させ、プロセス中の弱黒液を冷却させる。スプレー膜蒸発器１０で生成した蒸気は、下流の蒸発装置１４に送られ、ここで熱源として供され、水蒸気源が蒸発装置に供給するエネルギーを増強する。

パルプ工場操業における蒸発装置１４は通常、多重効用蒸発缶ネットワークを含む。二重効用蒸発装置では、第１の蒸発缶からの生成蒸気が、第２の蒸発ユニットにエネルギーを供給するのに用いられる。この、蒸発缶の連鎖的運転が、数多くの段階に亘って続く場合がある。典型的な多重効用蒸発装置では、第１の蒸発缶にエネルギーを供給するのに利用される水蒸気源が供給される。第１の蒸発缶で生成した蒸気は、次いで、第２の蒸発缶で利用され、以降同様である。図２の実施形態のために考えられた多重効用蒸発装置では、蒸発装置は、濃縮弱黒液を生成し、これは黒液と言われるが、凝縮液を生成させる。多重効用蒸発装置からの生成凝縮液の一部は、スプレー膜蒸発器１０の凝縮液入口に送られる。スプレー膜蒸発器１０によって生成した蒸気は、蒸気出口から出て、蒸発装置１４に送られ、ここで、蒸気に伴う熱が蒸発装置１４に追加的エネルギーを供給するのに利用される。

蒸発装置１４の主要な機能は、弱黒液が回収ボイラー１６で適切に燃焼できるように、弱黒液を濃縮することである。種々の蒸発器設計が用いられる。図３は、１つの例示的な多重効用蒸発装置の設計、及びその装置とスプレー膜蒸発器１０との関係を示す。この例示的な設計は、符号１４によって一般的に示されるが、７つの蒸発缶を含み、充填膜タイプ又は他の適切な蒸発器タイプであってもよい。スプレー膜蒸発器１０を出る弱黒液を濃縮するために、スプレー膜蒸発器によって冷却された弱黒液はまず、第５の蒸発缶に送られ、部分的に蒸発して、より濃縮した弱黒液を生成させ、これは第５の蒸発缶を出て、次いで、第６の蒸発缶へと後方に送られる。第６の蒸発缶では、弱黒液はさらに濃縮される。図３が示す通り、第６の蒸発缶で濃縮された弱黒液は、次いで、第７の蒸発缶に送られ、そこから弱黒液は、第４、第３、第２、そして第１の蒸発缶へと前方に戻るように移動する。弱黒液は種々の蒸発缶で加熱され、蒸発するので、そのため弱黒液は、１つの蒸発缶から次に続く蒸発缶に移動するに従い累進的にさらに濃縮されることになる。最後に、第１の蒸発缶によって生成した濃縮物は、濃縮黒液になり、これは通常約７０〜９０％の固形分含有量を有し、上述の通り、回収ボイラー１９に送られる。

弱黒液を蒸発させるためのエネルギーを供給するために、水蒸気源からの生蒸気が、ライン３０を介して第１の蒸発缶に送られる。図３参照。生蒸気は、第１の蒸発缶を通る弱黒液を濃縮させ、プロセス中、蒸気は第１の蒸発缶で生成する。生蒸気から生じる凝縮液は回収され、水蒸気源に戻される。第１の蒸発缶で黒液を蒸発させる結果として生成した蒸気は、ライン３２を介して第２の蒸発缶に送られ、ここで蒸気は、第２の蒸発缶で弱黒液の部分を蒸発させるのに用いられる。第２の蒸発缶で黒液を蒸発させることによって、蒸気が生成し、これはライン３４を介して第３の蒸発缶に送られ、ここで蒸気は、第３の蒸発缶で黒液の部分を蒸発させるのに利用される。このプロセスが連続し、当業者であれば理解する通り、第３の蒸発缶で生成した蒸気は、第４の蒸発缶を動かすために利用され、以降同様である。図３が示す通り、蒸気ライン３６、３８、４０、及び４２は、１つの蒸発缶から後続の蒸発缶への蒸気の流れを示す。第７の蒸発缶もまた蒸気を生成させ、蒸気はそこからライン４４を介して表面濃縮器に送られる。

前述の通り、スプレー膜蒸発器１０によって生成した蒸気は、多重効用蒸発装置１４を動かすのに利用できる。この例の場合、スプレー膜蒸発器１０によって生成した蒸気はライン４６を介して第４の蒸発缶に送られる。この例では、第３の蒸発缶によって生成した蒸気は、スプレー膜蒸発器１０によって生成した蒸気とともに、第４の蒸発缶にエネルギー源を供給するために、効果的に組み合わせられる。スプレー膜蒸発器１０からの蒸気は、いくつかの条件により、１つ又は複数の他の蒸発缶に送られることもあることが、当業者には理解される。この場合、スプレー膜蒸発器１０によって回収される熱又は蒸気は、蒸発器の列の中央付近の蒸発缶に送られる。これは、弱黒液を、通常（大気圧）の貯蔵タンクに貯蔵する前に、その大気圧の沸点より下に冷却することが望ましいためである。

各蒸発缶は、蒸気が弱黒液を蒸発させる結果として凝縮液を生成させる。凝縮液のいくらかは、他の凝縮液よりもメタノールの混入が多い。この例に限ると、凝縮液は、組み合わせられて３つの群に分類される：凝縮液Ａ、凝縮液Ｂ、及び凝縮液Ｃ。

図３に見られる通り、この例では、凝縮液Ａは、第２、第３、第４、及び第５の蒸発缶からの凝縮液を含む。この例では、第６及び第７の蒸発缶と表面濃縮器によって生成した凝縮液は、２つの流れ、即ち、異物混入のより多い流れと異物混入のより少ない流れに分割される。下に述べる通り、最も関心の対象となる混入異物はメタノールである。いずれの場合も、これらの源からの最も異物混入の多い流れは組み合わせられて凝縮液Ｃを形成する。この例では、こうして、凝縮液Ｃは、第６及び第７の蒸発缶と表面濃縮器からの、異物混入のより多い凝縮液の流れを組み合わせたものである。

図３に示される凝縮液Ｂは、第６及び第７の蒸発缶と表面濃縮器からの、異物混入のより少ない凝縮液の流れを組み合わせたものである。この例では、凝縮液Ｂの少なくとも一部がスプレー膜蒸発器１０に送られ、スプレーファイル蒸発器を通る弱黒液を冷却させるために用いられる。ある場合には、凝縮液Ｂの全て又は実質的に全てが、スプレー膜蒸発器１０に回されてもよい。他の場合には、凝縮液Ｂは分流又は分割され、凝縮液Ｂの選ばれた部分のみがスプレー膜蒸発器１０に送られる。

これらの凝縮液中の異物混入は、弱黒液の蒸発から生じる。関心の対象となる混入異物は数多くある一方、特に関心の対象となる一つの混入異物はメタノールである。図３に示す例では、凝縮液Ａ中のメタノール濃度は約５０〜１００ｐｐｍであり、凝縮液Ｂ中のメタノール濃度は１，０００ｐｐｍ未満であり、凝縮液Ｃ中のメタノール濃度は２０，０００ｐｐｍより高いことがある、と推定される。

前述の実施形態では、弱黒液を冷却させ蒸発装置１４へ熱エネルギーを供給するスプレー膜蒸発器１０は１つしか示されていない。いくつかの用途では、スプレー膜蒸発器の形で２つ以上の弱黒液冷却器があってもよく、これらのスプレー膜蒸発器からの蒸気は戦略的に送られ、蒸発装置１４によって用いることができる。

前述の通り、本発明の方法は、下流の蒸発装置１４からの凝縮液を効果的に用いて弱黒液から熱を回収する。また、本発明の方法は、凝縮液から揮発性混入異物を除去する上で効果的である。凝縮液をチューブの外側で沸騰させるので、凝縮液は、メタノール及び全還元性硫黄ガス等、混入成分を先に揮発させることによって清浄化することが可能となる。

木材パルプ化プロセスにおいて蒸発装置１４の上流でスプレー膜蒸発器１０を利用することには数多くの利点がある。チューブを通る弱黒液の流れは、液冷式液体熱交換器によくある繊維詰まりの問題を低減し、繊維でチューブが詰まる異常があっても清浄化を簡単にする。加えて、チューブの外側で凝縮液を沸騰させて熱回収を得ることは、液冷式液体熱交換器よりも効率的で、前述の通り、凝縮液の全体的な質の改善もする。さらに、スプレー膜蒸発器１０の利用は、従来の蒸発タンクに付随する発泡の危険性を排除する。

本発明は、勿論、本発明の範囲及び本質的特長から逸脱することなく、本明細書で説明された方法以外の具体的な方法で実施してもよい。本発明の実施形態は、したがって、全ての面において例示的であり、限定的ではないと解釈されるものとし、添付の特許請求の範囲の意味の範囲内及び等価な範囲内に入る全ての変更が特許請求の範囲内に包含されることを意図するものとする。

Claims (9)

1. パルプ工場において生成する弱黒液を冷却してその弱黒液から熱を回収する方法であっ
   て、
   蒸解釜で繊維を蒸解して弱黒液を形成するステップと；
   前記弱黒液を、スプレー膜蒸発器の一部を形成する一連のチューブに通して送るステッ
   プと；
   前記スプレー膜蒸発器を通る前記弱黒液を、
   ｉ．前記スプレー膜蒸発器に供給物を送ることと；
   ｉｉ．前記供給物を前記スプレー膜蒸発器の前記チューブにスプレーし、前記供給物
   を蒸発させて蒸気を生成させることと；
   ｉｉｉ．前記蒸気を前記スプレー膜蒸発器から送り、前記蒸気に付随する前記熱が前
   記パルプ工場の他のプロセス用熱源として利用できるようにすることと、
   によって冷却して前記弱黒液から熱を回収するステップと、
   を含む方法。
2. 前記スプレー膜蒸発器によって生成した前記蒸気を多重効用蒸発装置に送ることを含む
   請求項１に記載の方法。
3. 前記スプレー膜蒸発器によって生成した前記蒸気の少なくとも一部を前記多重効用蒸発
   装置の中間の蒸発缶に供給することを含む請求項２に記載の方法。
4. 弱黒液を前記スプレー膜蒸発器から前記多重効用蒸発装置の中間の蒸発缶に送ることと
   、前記中間の蒸発缶から前記弱黒液を１つ又は複数の蒸発缶に通して送ることとを含む請
   求項２記載の方法。
5. 前記多重効用蒸発装置が一連の凝縮液を生成させる方法であって、前記方法は、前記凝
   縮液の１つ又は複数ではあるが全部ではない分を前記多重効用蒸発装置から前記スプレー
   膜蒸発器へ送ることと、前記凝縮液の少なくとも一部を蒸発させることとを含む請求項２
   に記載の方法。
6. パルプ工場において生成する弱黒液を処理する方法であって、
   蒸解釜で繊維を蒸解して弱黒液を形成するステップと；
   前記弱黒液を、スプレー膜蒸発器の一部を形成する一連のチューブに通して送るステッ
   プと；
   前記弱黒液を前記スプレー膜蒸発器で冷却するステップと；
   前記弱黒液を冷却した後に、前記弱黒液を多重効用蒸発装置に送り、その中で前記弱黒
   液を濃縮して濃縮黒液及び凝縮液を生成させるステップと；
   前記濃縮黒液を回収ボイラーに送るステップと；
   前記多重効用蒸発装置によって生成した凝縮液を前記チューブの外側表面上にスプレー
   することによって前記弱黒液から熱を回収し、前記弱黒液から回収された熱を利用して、
   蒸気を生成させる前記凝縮液を加熱し蒸発させるステップと；
   前記蒸気を前記多重効用蒸発装置に送り、前記蒸気に付随する前記熱を利用して前記多
   重効用蒸発装置で前記弱黒液を濃縮するステップと、
   を含む方法。
7. 前記弱黒液を前記スプレー膜蒸発器から中間の蒸発缶へ、そしてそこから１つ又は複数
   の蒸発缶に通して供給することを含む請求項６に記載の方法。
8. 前記多重効用蒸発装置が一連の凝縮液を生成させる方法であって、前記方法は、前記一
   連の凝縮液ではあるがその全部ではない分を組み合わせることと、前記組み合わせられた
   凝縮液を前記スプレー膜蒸発器に送ることと、前記組み合わせられた凝縮液の少なくとも
   一部を蒸発させることとを含む請求項６に記載の方法。
9. 前記スプレー膜蒸発器はハウジングと前記ハウジングに収容されるチューブの束とを含
   み、前記弱黒液を冷却させることは前記弱黒液を前記チューブの束に通して送ることと、
   前記ハウジング内に収容される前記チューブの束の外側表面上に前記凝縮液をスプレーす
   ることによって前記弱黒液を冷却させることとを含む請求項６に記載の方法。

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