NO173456B - Fremgangsmaate for aa forhindre smelteeksplosjoner ved en kjemisk gjenvinningsprosess - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å forhindre smelteeksplosjoner ved en kjemisk gjenvinningsprosess hvor det anvendes en ovn som har en lavere del hvorfra det i en kontinuerlig stråle føres ut varierbare mengder av en strøm av varm, flytende smelte via en smelterenne in i en oppløsnings-beholder som er delvis fylt med en dam av grønnlut.

Ved fremstillingen av tremasse kalles en kjemisk løsning dannet under et trinn av fremgangsmåten svartlut, og den oppnås fra ved som blir kokt ved innvirkning av et kjemikalie så som en blanding av natriumhydroksyd og natriumsulfid. Etter at innvirkning av kjemikaliet på veden er fullført i en koker, inneholder den gjenværende væske, vanligvis kalt svartlut, salter som bør gjenvinnes for å gi en økonomisk drift. Svartluten blir inndampet for å konsentrere den, og den konsen-trerte svartlut blir sprøytet inn i en kjemisk gjenvinningsovn som typisk vil omfatte en oksydasjonssone i en øvre del og en reduksjonssone i lavere del. Mesteparten av vannet som er igjen i svartluten blir avdrevet med varme, og tørking blir fullført i den øvre oksydasjonssone i ovnen. Det blir dannet tørre faststoffpartikler.som i alt vesentlig er fri for fuktighet som oppsamles på bunnen eller i midten av ovnen. De brennbare bestanddeler av de tørre partikler blir brent ut, og varmen som utvikles anvendes for å opprettholde de kjemiske reaksjoner som foregår og også for å produsere damp i en tilknyttet dampkjele.

Den uorganiske aske som blir igjen etter brenning av de brennbare deler blir smeltet av forbrenningsvarmen. Når denne aske blir smeltet, blir de oksyderte former av svovel, så som natriumsulfat, redusert i nærvær av karbon og en reduserende atmosfære til natriumkarbonat, og blir så fjernet fra ovnen ved å bli ført ut gjennom en renne inn i en oppløsnings-beholder for å danne en løsning som er kjent som grønnlut. Uttømming av den smeltede smelte inn i væsken inne i en opp-løsningsbeholder blir vanligvis fulgt av støy i form av en vedvarende larm med høyt støynivå og leilighetsvis av kraftige og destruktive eksplosjoner. Det er foreslått forskjellige systemer for å eliminere eller redusere dette problem, men ingen av dem har vært fullstendig vellykkede og omkostnings-effektive.

Det er funnet at voldsomheten ved de eksplosive reaksjoner i beholderen kan reguleres ved å bryte opp strømmen av smelte som kommer ut fra rennen før smeiten kommer i kontakt med dammen av grønnlut i beholderen. Det er typisk at spreng-ningen foretas ved å rette en stråle av et gassformet medium så som damp mot strømmen av smelte som kommer ut av rennen. Siden mengden av smeltestrøm ved hvilken som helst gitt tid er høyst variabel, er det vanlig å rette en overdreven stor mengde av damp kontinuerlig mot smelteuttømmingen ved et trykk og en hastighet som vil være tilstrekkelig til å bryte opp selv den tyngste smeltestrøm som med rimelighet kan ventes. Denne teknikk resulterer åpenbart i en betraktelig sløsing med damp og gir en vesentlig reduksjon av det økonomiske resultat av den kjemiske gjenvinningsprosess.

Det er foreslått i kanadisk patenskrift nr. 567.081 å rette en strøm av damp vertikalt nedover på den flytende smelte og samtidig, ved et lavere nivå inne i beholderen, anvende en resirkulert væskestrøm for ytterligere å sprenge og fordele smeltestrømmen. Ulempene ved denne prosess er at den baserer seg på kontinuerlige strømmer av både damp og grønn-lut.

U.S.-patent nr. 3.122.421 beskriver også en apparatur og en fremgangsmåte for å spre eller sprenge en strøm av smelte ved anvendelse av damp. Det nye aspekt ved denne oppfinnelse synes å bestå i å anvende temperaturen i renne-kjølevannet som en indikasjon på mengden av smelte som flyter og derfor på mengden av damp som kreves for å sprenge smeiten. I henhold til dette patent behøves det også en kontinuerlig strøm av damp, selv om prosessen ikke er fullt så ødsel som ved noen av de andre utførelsene. Det kreves også en vannkjølt renne.

U.S.-patent nr. 4.011.047 beskriver en smelte-renne for en gjenvinningsdampkjele som ikke behøver vannkjøling. Rennen er bygget av isolerende og ildfaste materialer inneholdt i et metalltrau, og den er utstyrt med et dampstrålerør umiddelbart tilstøtende til den bunnfrie ende av rennen. Strålen svekker dannelsen av slagg på bunnen av trauet og smuldrer opp smelte-strømmen som kommer ut fra rennen. Ved denne utførelse be-høves det således også en kontinuerlig strøm av damp og dermed medfølgende økonomisk handikap.

Det er det primære formål med oppfinnelsen å øke effekten ved driften og driftssikkerheten for en kjemisk gjenvinningsovn og dens medfølgende apparatur.

Et mer spesifikt formål med oppfinnelsen er å eliminere behovet for en kontinuerlig strøm av damp for å sprenge en flytende strøm av smelte.

Et annet formål med oppfinnelsen er å eliminere behovet for å anvende damp for å sprenge smeiten under normal drift av en kjemisk gjenvinningsovn.

Det er også et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte som beskrevet ovenfor, som er enestående egnet for anvendelse ved en ovn som drives ved et forhøyet trykk og ved hvilken svartluten bare blir delvis oksydert slik at det blir dannet en brennbar produktgass som etter rensing kan anvendes som brennstoffgass for en gassturbin.

De foregående og andre formål og fordeler oppnås i samsvar med foreliggende oppfinnelse som omfatter en forbedring av en kjemisk gjenvinningsprosess. Ved den kjemiske gjenvinningsprosess anvendes en ovn som har en lavere del hvorfra det føres en varm flytende smelte via en smelterenne inn i en bråkjølings- og oppløsingsbeholder som inneholder en dam av grønnlut. Under driften av prosessen føres smeiten ut i en kontinuerlig stråle av variabel kvantitet. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å hindre smelteeksplosjoner når en slik strøm innføres i oppløsnings-beholderen.

Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at det opprettholdes et første valgt overatmosfærisk trykk på over 7 atmosfærer i beholderen under normal drift av ovnen, idet det tilveiebringes en dampkilde, en dampreguleringsventil og en damputgangsdyse for å føre damp fra denne kilde mot strømmen av flytende smelte som strømmer fra rennen, idet trykket i tanken registreres ved hjelp av en trykkføler som virker slik at reguleringsventilen holdes i lukket stilling under normal drift ved det første overatmosfæriske trykk og slik at reguleringsventilen holdes i åpen stilling under et andre valgt overatmosfærisk trykk i tanken, slik at det gjennom dysen med høy hastighet føres ut en dampstrøm i en mengde som er tilstrekkelig til å bryte opp strømmen av smelte når trykket i beholderen er under det andre overatmosfæriske trykk som er betydelig under det første overatmosfæriske trykk, hvorved smelteeksplosjoner i beholderen på grunn av kontakt mellom den varme smelte og dammen av grønnlut effektivt elimineres under alle faser av driften av ovnen.

I samsvar med en foretrukket utførelse av oppfinnelsen inkluderer fremgangsmåten å la en strøm av nevnte grønnlut støte på strømmen av smelte som forlater rennen for å sprenge strømmen av smelte før den når frem til overflaten av dammen av grønnlut i beholderen.

I samsvar med et annet foretrukket aspekt av oppfinnelsen blir smeiten dannet ved den delvise forbrenning av konsentrert svartlut i en ovn holdt ved et overatmosfærisk trykk, og det blir også dannet en brennbar produktgass i ovnen. I samsvar med en spesielt foretrukket utførelse av oppfinnelsen er det første valgte overatmosfæriske trykk på 7-20 atmosfærer, typisk 10-20 atmosfærer, og det annet valgte overatmosfæriske' trykk er ca. 5, typisk 5-10 atmosfærer. I henhold til visse andre foretrukne aspekter av oppfinnelsen støter strømmen av damp i en i alt vesentlig vertikalt nedadgående retning mot smeiten, og strømmen av grønnlut støter i en i alt vesentlig horisontal retning mot strømmen av smelte. I henhold til enda et annet foretrukket aspekt av oppfinnelsen holdes grønnluten i dammen ved en temperatur som er slik at forskjellen i temperatur mellom grønnlutens temperatur og kokepunktet ikke overskrider 44°C ved det trykk som foreligger i oppløsnings-beholderen.

Ytterligere trekk, aspekter, formål og fordeler ved oppfinnelsen vil klart fremgå av den følgende detaljerte be-skrivelse av de foretrukne utførelser av oppfinnelsen, definert i krav 7 til 12 og sett i sammenheng med de medfølgende tegninger. Figur 1 er en vertikalprojeksjon delvis i tverrsnitt av en apparatur for anvendelse ved fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et diagram som viser effekten av trykket i bråkjølingsbeholderen og temperaturen i bråkjølingsløsningen på sannsynligheten for eksplosjoner under en smelte-brå-kjølings-prosess.

Det vises nå til figur 1 hvor det er avbildet en apparatur 10 for anvendelse ved foreliggende oppfinnelse. Appara-turen inkluderer en gjenvinningsovn 12, en smelteutløpsrenne 14 og en oppløsningsbeholder 16. Oppløsningsbeholder 16 er forsynt med en innretning for innføring av damp fra en kilde (ikke vist) gjennom et rør 18, en reguleringsventil 20, et rør 22 og en dyse 24. Reguleringsventil 20 blir regulert eller kontrollert med en trykkføler 26. Det er lokalt anbrakt, til-støtende til en lavere del av oppløsningsbeholder 16, en ventil 28, et rør 30 og en pumpe 32 for utføring av grønnlut fra en dam 34 inneholdt i bråkjølingsbeholder 16. Grønnluten føres ut fra pumpen 32 via et rør 36 og gjeninnføres i beholder 16 gjennom en dyse 38. Det er typisk at oppløsnings-beholder 16 også er utstyrt med motordreven blander 4 0 som hjelpemiddel for å spre og oppløse partikler av størknet smelte.

For å vise virkningen av trykk og grønnlut-temperatur på både sannsynligheten for og styrken på eksplosjoner under en bråkjølingsoperasjon ble det utført en serie med tester. Ved testene ble det benyttet en smelte som kunne etterligne materialer dannet under driften av en gjenvinningsovn for bearbeidelse av en kraft-svartlut. De etterlignende materialer inneholdt høyere aske- og karbonkonsentrasjoner siden de i virkeligheten var oppnådd fra forgassing av kull i et smeltet salt. Grønnluten ble dannet fra smelteprøvene. Typiske sammensetninger av smeiten og grønnluten er angitt i tabellene 1 og 2 nedenunder. Testene ble utført ved hurtig å helle en bestemt mengde av høytemperatur-smeltet salt inn i en dam av grønnlut i et lukket kar, og så bemerke om det foregikk en eksplosjon eller ikke, og måle kraften på eksplosjonen når en slik forekom.

I tillegg ble det utført en rekke tester ved anvendelse av smelte som var blitt gjort ømfintlig for å øke sannsynligheten for en eksplosjon. Smeiten var blitt gjort ømfintlig ved tilsetning dertil av enten 5 vekt% NaOH eller 5 vekt% NaCl til referansesmelten. Begge disse materialer viste seg å være effektive sensibilisatorer og det ble ikke iakttatt noen klar forskjell mellom de to. Dessuten ble det i noen av testene anvendt vann som bråkjølingsmedium istedenfor grønnlut. An-vendelsen av vann viste seg imidlertid å ha liten virkning på sannsynligheten for eksplosjoner.

Mengden av bråkjølt smelte var typisk 65 gram. Denne mengde ble valgt på basis av forutgående sorteringstester ved hvilke mengden av smelte varierte fra ca. 35 til 150 gram. Mindre mengder syntes å gi ujevne resultater. Testene med større mengder enn 65 gram viste ingen effekt på sannsynligheten for eksplosjoner, men viste at størrelsen på intensi-teten av eksplosjonen grovt sett var proporsjonal med mengden av bråkjølt smelte.

Resultatene av alle smelte-bråkjølingstestene er opp-summert i figur 2. Linjene A og B definerer de tilnærmede områder for lav sannsynlighet for eksplosjon for henholdsvis ikke-sensibiliserte og sensibiliserte smelter under forholdene ved testen, hvor lav sannsynlighet for eksplosjon representerer forhold hvorunder det ikke ble iakttatt noen eksplosjoner under testene. Områder til høyre for linjene representerer områder med lav sannsynlighet for eksplosjon. Resultatene viste at ved enhver temperatur (eller grad av under-kjøl ing) fører økning av trykket eventuelt til et forhold med lav sannsynlighet for eksplosjon med enten sensibiliserte eller ikke-sensibiliserte smelter. Som angitt ved linjene gir nedsettelse av underkjølingen av bråkjølingsløsningen nedsettelse av det trykk som kreves for å sikre lav sannsynlighet for eksplosjoner for både sensibiliserte og ikke-sensibiliserte smelter. Underkjøling er definert som forskjellen mellom kokepunktet for bråkjølingsløsningen ved det foreliggende trykk i oppløsningsbeholderen og dens virkelige temperatur i oppløsningsbeholderen. Området til venstre for linje A representerer forhold hvorunder det er stor sannsynlighet for eksplosjoner for både sensibiliserte og ikke-sensibiliserte smelter. Området mellom linjene A og B er området for lav sannsynlighet for eksplosjon for ikke-sensibiliserte smelter. Området til høyre for linje B er området med lav sannsynlighet for eksplosjon for både sensibiliserte og ikke-sensibiliserte smelter. Fra figur 2 ses det at ved trykk over ca. 10 atmosfærer er sannsynligheten for eksplosjoner med enten en sensibilisert eller en ikke-sensibilisert smelte i alt vesentlig ubetydelig. Videre vil opprettholdelse av en slik temperatur i løsningen at forskjellen mellom denne temperatur og løsningens kokepunkt ikke overskrider 44°C resultere i lav sannsynlighet for eksplosjon ved trykk ned til ca. 5 atmosfærer.

Det refereres nå tilbake til figur 1, og den foretrukne måte for utførelsen vil være i alt vesentlig som følger: Konsentrert svartlut innføres i en øvre del av ovn 12 hvor den konsentreres og omdannes til gass med lav BTU og en redusert smelte ved delvis oksydasjon med luft. Ovnen 12 blir typisk drevet ved et forhøyet trykk, ettersom dette reduserer størrelsen på utstyret, forbedrer driften av gassrensingen og tilveiebringer et gassformig produkt som er egnet som brenn-stoff for, for eksempel, en gassturbin. Ovnen 12 holdes typisk ved et trykk på 7-2 0 atmosfærer, fortrinnsvis i området fra 10-2 0 atmosfærer.

Under forgassingsprosessen smeltes uorganiske komponenter i svartluten. Svovelforbindelsene blir redusert til sulfid-form og produktsmelten blir kontinuerlig ført ut fra bunnen av ovnen 12 gjennom rennen 14 og inn i oppløsningsbeholderen 16 som holdes ved i alt vesentlig det samme trykk som ovn 12. Strømmen av smelte som kommer inn i beholder 16 blir sprengt ved en i alt vesentlig horisontal påsprøyting av grønnlut før den kommer inn i dam 34. Sprøytestrømmen av grønnlut blir dannet ved å trekke ut grønnlut fra dam 34 gjennom rør 30 og pumpe 32 som sirkulerer den gjennom rør 36 og dyse 38, hvor dysen da innretter grønnluten slik at den støter mot smeiten som kommer inn i beholderen 16. Under normal drift er denne kontinuerlige sirkulasjon av grønnlut gjennom dyse 38, eller endog agitasjonen frembrakt av blanderen 40, tilstrekkelig til å sprenge smeiten og tilveiebringe en i alt vesentlig jevn spredning eller oppløsning av smeltepartikler i grønnluten. Oppløsningsbeholder 16 vil også være utstyrt med innretninger for innføring av supplerende vann for uttrekking av grønnlut for resyklisering til massefremstillingsprosessen, og for ut-lufting av gasser. Siden disse aspekter imidlertid er vel-kjente for fagfolk på området og ikke utgjør noen del av oppfinnelsen, er de ikke vist.

Når som helst trykket i oppløsningsbeholder 16 faller under et forhåndsinnstilt overatmosfærisk trykk som er under det normale driftstrykk, og fremdeles over det hvorved sannsynligheten for eksplosjon er større enn godtagbart for å ha sikker drift, åpner trykkføleren 26 reguleringsventil 20 og tillater at høytrykksdamp fra en ikke vist kilde strømmer gjennom rør 22 og dyse 24 for omhyggelig å sprenge og spre den strømmende strøm av smelte, og reduserer dermed sannsynligheten for en intens eksplosjon dersom trykket skulle fortsette å avta. I samsvar med en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse åpnes ventil 20 når som helst når trykket faller under 5 atmosfærer og fortrinnsvis når som helst det faller betydelig under det normale driftstrykk.

Temperaturen i grønnluten holdes fortrinnsvis slik at forskjellen mellom grønnlutens temperatur og dens koke-, temperatur ved trykket i oppløsningsbeholderen ikke overskrider 44°C, for ytterligere å redusere sannsynligheten for en intens eksplosjon. Det vil forstås at om ønsket kan temperaturen i grønnluten i dam 34 overvåkes og at temperaturen også kan anvendes som et middel for å utløse reguleringsventil 20.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for å forhindre smelteeksplosjoner ved en kjemisk gjenvinningprosess hvor det anvendes en ovn (12) som har en lavere del hvorfra det i en kontinuerlig stråle føres ut varierbare mengder av en strøm av varm, flytende smelte via en smelterenne (14) inn i en oppløsningsbeholder (16) som er delvis fylt med en dam (34) av grønnlut, karakterisert ved at det opprettholdes et første valgt overatmosfærisk trykk på over 7 atmosfærer i beholderen (16) under normal drift'av ovnen (12), idet det tilveiebringes en dampkilde, en dampreguleringsventil (20) og en damputgangsdyse (24) for å føre damp fra denne kilde mot strømmen av flytende smelte som strømmer fra rennen (14), idet trykket i tanken (16) registreres ved hjelp av en trykkføler (26) som virker slik at reguleringsventilen (20) holdes i lukket stilling under normal drift ved det første overatmosfæriske trykk og slik at reguleringsventilen (20) holdes i åpen stilling under et andre valgt overatmosfærisk trykk i tanken (16), slik at det gjennom dysen (24) med høy hastighet føres ut en dampstrøm i en mengde som er tilstrekkelig til å bryte opp strømmen av smelte når trykket i beholderen (16) er under det andre overatmosfæriske trykk som er betydelig under det første overatmosfæriske trykk, hvorved smelteeksplosjoner i beholderen (16) på grunn av kontakt mellom den varme smelte og dammen (34) av grønnlut effektivt elimineres under alle faser av driften av ovnen (12).

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at smeiten dannes ved delvis forbrenning av konsentrert svartlut i ovnen (12), slik at det også dannes en brennbar produktgass.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at det første valgte overatmosfæriske trykk er i området 7-20 atmosfærer og at det andre overatmosfæriske trykk er ca. 5 atmosfærer.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at strømmen av damp støter mot smeiten i en tilnærmet vertikalt nedadgående retning.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter å la en strøm av grønnluten støte mot strømmen av smelte som kommer ut fra rennen (14), før den når frem til overflaten av dammen (34) av grønnlut i beholderen.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, karakterisert ved at strømmen av grønnlut støter mot smeltestrømmen i en i hovedsak horisontal retning.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karaktertisert ved at den videre omfatter å holde dammen (34) av grønnlut ved en temperatur som er slik at forskjellen i temperatur mellom grønnlutens temperatur og kokepunktet ikke overskrider 44°C ved det trykk som foreligger i oppløsningsbeholderen (16).

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at dammen (34) av grønnlut agiteres kontinuerlig som hjelp til å dispergere og oppløse smeltepartikler.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert ved at den videre omfatter å la strømmen av damp med høy hastighet støte mot strømmen av smelte når dammen (34) av grønnlut måtte få en temperatur som er lavere enn en valgt verdi som er slik at forskjellen i temperatur mellom grønnlutens temperatur og kokepunktet ikke overskrider 44°C ved det trykk som foreligger i oppløsnings-beholderen (16) .

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert ved at strømmen av damp støter mot smeiten i en i vertikal nedoverrettet retning.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved at en strøm av grønnlut støter mot strømmen av smelte i en i alt vesentlig horisontal retning.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, karakterisert ved at dammen (34) av grønnlut agiteres kontinuerlig som hjelp til å dispergere og oppløse smeltepartikler.