NO175106B - Fremgangsmåte for utvinning av energi og kjemikalier fra avlut - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåte ved utvinning av energi og kjemikalier fra avlut fra massefremstilling, hvilken fremgangsmåte innbefatter termisk nedbrytning av avluten i en reaktor ved et trykk på fra atmosfæretrykk opp til 150 bar og ved en temperatur i området 500-1500°C slik at det dannes en gass, som er energirik for anvendelse som brennstoff eller som er anvendelig som råvare for fremstilling av kjemikalier, samt fast og/eller smeltet uorganisk materiale, slik som angitt i krav l's ingress.

Forbrenning av fossilt brennstoff, såsom kull, olje og naturgass, utgjør alternativ varmeproduksjon ved siden av atomkraft. Alternativene omfatter også biomassebrennstoff og da fremfor alt celluloseindustriens forbrenning av avluter. Ved forbrenning av sulfatmasseindustriens avlut etterstreves to mål, dels skal den utløste organiske vedsubstans forbrennes slik at dens forbrenningsvarme omvandles til nyttig varmeenergi, og dels skal de uorganiske kjemikaliene i avluten gjenvinnes og overføres til aktiv form. Når svovelet skal gjenvinnes i sulfidform kreves understøkiome-triske forhold. Dette utgjør således to motstrebende prosesser som skal finne sted samtidig i ett felles kammer, hvilket resulterer i optimeringsvanskeligheter med tradi-sjonell sodakjeleteknikk. Til nå har man forsøkt å løse problemet ved forskjellige prosessnivåer i sodakjelen, der understøkiometriske betingelser råder i bunnen og over-støkiometriske betingelser i den øvre del. Sodakjelens optimeringsvanskeligheter medfører bl.a. at de gjenvunne kjemikalier fra eksempelvis sulfatmassefremstilling inneholder en viss mengde oksydert svovel i form av natriumsulfat, natriumsulfitt og natriumtiosulfat. Dette kommer av vanskeligheter med opprettholdelse av kontrollerte betingelser i kjelens bunnregion. Utover dette tas en del støv med fra bunnregionen. Støvet inneholder natrium og svovel som oksyderes høyere oppe i sodakjelen og danner der natriumsulfat som separeres og tilbakeføres inn. i kjemikaliesyklen. Det oksyderte svovel er kjemisk inaktivt i kokeprosessen og utgjør derfor ballast i kjemikaliesyklen.

SE patent 8502731-6 beskriver en fremgangsmåte som utgjør et alternativ til sodakjeleteknikken og som baserer seg på en forgassningsteknikk, der i en første delprosess svartlutens organiske stoffer forgasses til i hovedsak CO, CO2, H2 og H2S i en reaktor under trykk med såkalt "flash-pyrolyse", og der det erholdte produkt hovedsaklig består av avlutens uorganiske komponenter i fast eller smeltet form. Ved en lignende forgassning av organisk materiale erholdes vanligvis en del karbonrester, der mengden karbonrester avhenger av flere faktorer, såsom reaksjonstemperaturen, luft/brennstoff-kvoten og brennstofftilførselsteknikken. Gassen som erholdes ved forgassning ledes videre til rensing og kan deretter anvendes som brennstoff. Ettersom forgassningen foregår under tilførsel av oksydasjonsluft, tilføres nitrogen, som utgjør ballast og oksydasjonsluften bør derfor minskes. Ved altfor langtdrevet understøkiome-trisk forgassning dannes imidlertid meget lett en karbon-rest. Den kjente reaktors apparat- og prosesstekniske oppbygning er fremfor alt vesentlig med hensyn til ter-modynamiske betingelser, innbefattende reaksjonstid, temperatur, turbulens og materialets finfordeling, slik at en så stor reaksjonsflate som mulig oppnås. Det lave luft/brennstoffforhold medfører spesielle vanskeligheter med hensyn til å oprettholde høy turbulens i reaksjonssonen sammenlignet med en fullstendig forbrenningsprosess. Strømningsforholdene, som danner laminære filmer eller skikt av oksydasjonsluft rundt partiklene, oppstår lett og optimeringen av ovennevnte parameter blir meget vanskelig å oppnå. Ved høyere trykk i forgassningskammeret øker gassens tetthet, hvorved ytterligere begrensninger oppstår med hensyn til turbulensen i forgassningskammeret. Temperatur, samt oksydasjons- eller reaksjonsforløpene vil dermed variere.

Betingelsene ved optimering av en forbrenningsprosess og en forgassningsprosess er således helt forskjellige. Dette gjelder ikke minst når forgassningsforløpet omfatter flere del-trinn, dvs. foruten selve forgassingen av organisk materiale også en kjemikaliegjenvinning som er meget vanskelig å optimere.

SE 458 799 beskriver forbrenning av fluide brennstoff, som disperegeres i forbrenningsluft og utsettes for lavfrekvenslyd. En forbrenning av brennstoff skjer nødvendigvis ved overskudd av luft og er derved vesentlig forskjellig fra et termisk nedbrytningsforløp, ved hvilket den termiske nedbrytning av materialet foregår ved en begrenset lufttil-førsel (forgassning) eller uten luftilførsel (pyrolyse). Ovennevnte patentskrift hverken viser eller antyder anven-delesn av lavfrekvenslyd ved en så vesensforskjellig teknikk som utvinning av energi og kjemikalier ved et så i hovedsak forskjellig forløp som et endotermisk nedbryt-ningsforløp med sitt spesifikke optimeringsproblem.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å forbedre den kjente termiske nedbrytningsteknikk slik at reaksjonsfor-løpet intensifieres og optimale betingelser for gjen-vinningsprosessen oppnås.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes i hovedsak ved at den temiske nedbrytning av avluten utføres under eksponering av lavfrekvent lyd og uten eller under tilførsel av oksygen eller oksygenholdig gass i en mengde under den støkiometrisk nødvendige for fullstendig oksydasjon av de stoffer som dannes ved den termiske nedbrytning, som angitt i krav l's karakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-7.

Oppfinnelsen underletter en gjenvinningsprosess med særdeles store krav på en langtdrevet prosessoptimering. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen muliggjør a) styring av temperatur og forgassnings- eller nedbrytningsgrad uavhengig av hverandre, b) avansert såvel makro- som mikroturbulens som stadig skaper nye reaksjonsflater, c) intensifiering av det mest langsomme reaksjonstrinn, nemlig oksydasjon av restkoksen, d) størst mulige karbonomvandling, e) størst mulig svovelreduksjonseffektivitet, f) fremstilling av gass med største mulige energiinnhold for forbrenning, samt g) trykksetting av reaktoren fra 1-150 bar (abs), fortrinnsvis 20-40 bar (abs), med bibeholdte gode driftsegenskaper.

Oppfinnelsen beskrives ytterligere nedenfor under henvisning til tegningen, som skjematisk viser en utførelsesform av en egnet forgassningsreaktor for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Under henvisning til tegningen betegner tallet 1 en oppreist stående forgassningsreaktor inneholdende et teglforet forgassningskammer 2 og et kjølekammer 3 beliggende under dette. En ledning 4 for tilførsel av avlut er tilknyttet toppen av reaktoren og har sitt innløp 5 beliggende inne i forgassningskammeret. Et atomiseringsmedium, såsom damp eller gass, f.eks. luft, tilføres gjennom en ledning 24, som samordnes med ledningen 4 for avlut slik at den munner ut på samme sted som sistnevnte. Reaktoren 1 er ved sin topp utstyrt med en åpning 6 som tilsluttes av en derfra utstikkende del 7, gjennom hvilken nevnte ledning 4 for avlut strekker seg. En ledning 8 for gasstilførsel, såsom oksygen, oksygenholdig gass eller tilbakeført brenngass, er tilsluttet tangentielt til kanten hos delen 7. Denne gass kan fordelaktig være forvarmet til en forutbestemt høy temperatur, eksempelvis tilsvarende reaktorens driftstempe-ratur. Oksygen eller oksygenholdig gass kan også tilføres gjennom en andre ledning 9, som er tilknyttet forgassningskammeret 2 ved en beliggenhet med en forutbestemt avstand til innløpet 5, fortrinnsvis ved midten av forgassningskammeret 2. Videre er en brenner 10 tilknyttet forgassningskammeret 2 ved en beliggenhet med en forutbestemt avstand til innløpet 5, der brenneren forsynes med luft eller annen oksygenholdig gass via en ledning 11. Brenneren kan forsynes med brennstoff via en ledning 12, hvilket brennstoff kan bestå av f.eks. tilbakeført brenngass. Alternativt eller som kompliment kan en del av den energirike gass som dannes i forgassningskammeret 2 utnyttes som brennstoffgass slik at den endotermiske nedbrytning vedlikeholdes. Forgassningskammeret 2 har et utløp 13 som munner ut i kjølekammeret 3. En ledning 14 for uttsugning av dannet grønnlut 15 er tilknyttet reaktorens bunn, mens en ledning 16 for uttak av utvunnet brennstoffgass er tilknyttet reaktoren ved en beliggenhet i kjølekammeret 3 som er ovenfor væskenivået deri. Videre finnes en ledning 17 tilknyttet bunndelen av reaktoren for væsketilførsel og sirkulasjon av grønnlut.

Ytterligere innbefatter reaktoren et lydgeneratororgan 18 som fremskaffer og opprettholder en lavfrekvenslyd i forgassningskammeret 2 slik at den finfordelte avluten, som sprøytes inn gjennom innløpet 5, og den tilstedeværende gass, samt nedbrutte stoffer, påvirkes av lavfrekvenslyd. Ved den viste utførelsesform innbefatter nevnte lydgeneratororgan en rørformig resonator 19, hvis lengde fordelaktig er en fjerdedel av bølgelengden av den frembragte lyd, og en materenhet 20, som er anordnet i den ene enden av resonatoren og danner en lavfrekvensgenerator, der materenheten 20 er tilknyttet en ledning 21 for tilførsel av drivgass, såsom eksempelvis luft. Generatoren kan utgjøres av en infralydgenerator, ekesmpelvis av typen beskrevet i US 4.359.962. En hvilken som helst type lavfrekvenslydgenerator kan imidlertid anvendes til oppfinnelsens formål, inklusive fremskaf-felse av pulseringer av lavfrekvenslyd. Resonatoren 19 går over i en 90° krumning 22 og avsluttes med en diffusor 23, som sammen med krumningen 22 ingår i kvartsbølgegeneratoren. Diffusoren 23 befinner seg inne i og er omsluttet av kanten av nevnte del 7. Dersom ønskelig kan reaktoren forsynes med flere lydgeneratororganer, hvilke tilfører lavfrekvenslyd ved forskjellige steder av forgassningskammeret 2.

Infralydens høye refleksjonsevne muliggjør oppfylling av et stort område med lyd fra én eneste infralydgenerator. Noen lydskygger oppstår ikke og lydnivået er uforandret og opptrer samtidig i forgassningskammerets samtlige deler. Reaktoren innbefatter en reguleringsanordning som bibeholder hele systemet - resonansrør inklusive forgassningskammer - i resonans, selv ved endrede driftsvilkår, såsom eksempelvis ved enderet temperatur og endret trykk. Infralyden gir svingninger i gassen og finfordelte faste partikler deri, og sykliske gassforbindelser - fortetninger respektive fortynninger - muliggjør en betraktelig økning av kontakten mellom de finfordelte materialpartikler eller -dråper og omgivende gass, takket være den velutviklede såvel makro-som mikroturbulens som oppstår ved innvirkning av lavfrekvenslyden. Således åpnes stadig nye angrepspunkter for kjemiske reaksjoner. Forgassningsprosessens eksponering med lavfrekvenslyd muliggjør styring av temperatur og for-gassningsgrad uavhengig av hverandre.

Lavfrekvenslydgeneratoren kan plasseres på andre steder enn det som er vist, eksempelvis ved sideveggene eller ved bunnen av forgassningskammeret 2.

Ved behandling av f.eks. celluloseindustriens sulfatavlut er det såvel de organiske som de uorganiske substansdelene som skal gjenvinnes, nemlig dels vedligninet utløst ved sulfatkoket og dels kokekjemikalier i form av natrium- og svovelforbindelser. Svovel skal gjenvinnes i sulfidform og prosessen krever langtgående understøkiometriske (reduseren-de) forhold innen et temperaturområde som avhenger av hvilken metode som anvendes ved forgassning av avluten. Disse metoder innbefatter i dag den tørre metode, som arbeider innenfor temperaturområdet 500-800°C og som hovedsakelig innebæerer at natriumet danner Na2C03 i fast form og svovelet danner H2S i den fremstilte gass; smelte-metoden som arbeider innenfor temperaturområdet 800-1000°C og som innebærer at det dannes små smeltede dråper av Na2C03 og Na2S samt en gass inneholdende mindre mengder H2S; og den kaustiseringsfrie metode som arbeider innenfor temperaturområdet 1000-1500°C og som medfører en direkte omvandling av uorganisk metall til aktive kokekjemikalier i form av Na2S og NaOH. De gjenvunne kjemikalier tilbakeføres i massefremstillingsprosessen og den frenstilte gass kan utnyttes til energiproduksjon. Den fremstilte gass kan ytterligere anvendes som råvare i den kjemiske industri, eksempelvis til fremstilling av ammoniakk, metanol og syntetisk naturgass.

Anvendelsen av lavfrekvenslyd eller lavfrekvenspulser gir vesentlige forbedringer i det beskrevne forgassningssystem. Dette kommer av forbedret materialtransport gjennom laminære grenseskikt som oppnås av lavfrekvenslyden eller på noen måte fremstilte pulsasjoner av lavfrekvenslyd. Oksygen-molekylets vei inn til den smeltede dråpe med sitt innhold av karbon utgjør et transportfenomen og kraftig turbulens kreves, hvilket oppnås ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Det mest langsomme deltrinn i forgassningsprosessen utgjøres av restkoksens endelige oksydasjon. Dette trinn er styrt av transporten av oksygen- og dampmolekylene gjennom det laminære skikt som omgir dråpene. Reaktanter i gassfasen skal således passere inn til den glødende kokspartikkel gjennom den gassky som omgir den. Karbonkonverteringsgraden forbedres derfor ved den beskrevne termodynamikk.

Ved den ovenfor beskrevne anordning utføres den termiske nedbrytning under kontrollert tilførsel av oksygen eller oksygenholdig gass i en mengde under den støkiometrisk nødvendige for fullstendig oksydasjon av stoffene dannet fra den termiske nedbrytning. Denne mengde tilsvarer ca. 20-80%, fortrinnsvis 30-60%, av den støkiometriske mengde for fullstendig oksydasjon. Ved at oksygentilførselen er lavere enn den støkiometrisk nødvendige er det sikret at reduseren-de betingelser vil råde under forgassningen, og at derved ikke betydelige mengder oksydert svovel i form av natrium-sulf at, natriumsulfitt og natriumtiosulfat dannes.

Alternativt utføres den termiske nedbrytning som en ren pyrolyse, dvs. uten lufttilførsel.

Oppfinnelsen kan anvenedes på avlut fra såvel sulfat- som

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved utvinning av energi og kjemikalier fra avlut fra massefremstilling, hvilken fremgangsmåte innbefatter termisk nedbrytning av avluten i en reaktor ved et trykk på fra atmosfæretrykk opp til 150 bar og ved en temperatur i området 500-1500°C slik at det dannes en energirik gass som kan anvendes som brennstoff eller som er anvendelig som råvare for fremstilling av kjemikalier, samt fast og/eller smeltet uorganisk materiale, karakterisert ved at den termiske nedbryt-ningen av avluten utføres under eksponering av lavfrekvent lyd og uten eller under tilførsel av oksygen eller okygen-holdig gass i en mengde under den støkiometrisk nødvendige mengde for fullstendig oksydasjon av stoffene dannet ved den termiske nedbrytning.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avluten utgjøres av natrium- og svovelholdige restprodukter fra sulfatmassefremstilling.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avluten utgjøres av restprodukter fra sulfat-massef remstilling.

4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at lavfrekvenslyden har en frekvens på høyest 150 Hz, fortrinnsvis høyest 40 Hz og mest foretrukket høyest 20 Hz.

5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at oksygen eller oksygenholdig gass tilføres i en mengde som tilsvarer 20-80%, fortrinnsvis 30-60%, av den støkiometriske mengde for fullstendig oksydasjon.

6. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at den lavfrekvente lyd innføres i reaktoren i nær forbindelse med stedet for innmatning av avluten.

7. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-6, karakterisert ved at den lavfrekvente lyd frembringes av minst ett lydgeneratororgan (18).