SE462106B - Saett att utvinna energi och kemikalier ur avlut fraan massaberedning - Google Patents

Description

10 462 106 tillfredsställande.

Man har försökt att förbättra Tomlinsonproceesen genom att på olika sätt åtskilja återvinningen av kemi- kalier och utvinningen av energi. I Champion-processen 1985, lunda koncentrerad svartlut vid den övre delen av en (Tappi Journal, Nov. sid. 106-110) insprutas så- schaktugn och sönderdelas termiskt under lufttillträde (förgasas) under bildning av en smälta och en brännbar gas. Smältan uppsamlas vid ugnens botten och utledes till kemikalieåtervinning, och gasen brännes i en gas- turbin eller en angpanna. Detta ger en bättre termisk verkningsgrad och gör processen mera flexibel än vad som kan uppnås i Tomlinsonprocessen. Fortfarande har man dock en smälta, med de därmed förbundna hanteringe- svårigheterna.

Vid SCA-Billerudprocessen (E. Hornstedt och J. Gommi, Paper Trade Journal låg (1974): 16, s. 32-34) pyrolyseras luten i en reaktor under sådana tempera- turbetingelser att man erhåller ett stoft, bestående huvudsakligen av natriumkarbonat och kol, och en bränn- innehållande bl.a. I en våt- skrubber åtskiljes fasta och gasformiga material, sam- bar gas, svavelföreningar. tidigt som svavelhaltiga gaser absorberas av den bilda- de natriumkarbonatlösningen. De återstående gaserna förbrännas i en ångpanna för utvinning av energi, medan den erhållna vätskefasen från skrubbern befrias från kol genom filtrering, och sedan underkastas kaustice- ring på vanligt sätt för erhållande av vitlut. Denna process har fördelar genom sin flexibilitet, men har samtidigt den olägenheten, att stora mängder kol bildas och måste avlägsnas.

I den internationella patentansökningen PCT/SE86/00249 beskrivas ett förfarande för utvinning av energi och kemikalier i en sulfatprocess. Enligt detta förfarande förgasas den koncentrerade svartluten i en trycksatt reaktor medelst s.k. "flashpyrolys" vid 700-1300°C. Härvid bildas en energirik gas och en 462 106 smälta av väsentligen natriumkarbonat och natriumsul- fid. Smältan löses direkt i vatten, och lösningen an- vändes för att tvätta ut svavelväte från gasfraktionen, varefter den därvid bildade grönluten áterföres till beredningen av kokluten. Gasen användes sedan som bränsle för ànggenerering. I denna process erhålles alltsa smälta, med de därmed följande hanterings- problemen.

Enligt uppfinningen sönderdelas en avlut fràn mas- saberedning efter koncentrering termiskt vid ett tryck över atmosfärtrycket och under tillförsel av syre i en mängd under den stökiometriskt erforderliga för full- ständig oxidation, och frän de vid sönderdelningen bil- dade gaserna utvinnes svavelhaltiga föreningar genom att absorberas av en alkalisk lösning varvid den ter- miska sönderdelningen genomföres i ett steg vid en temperatur mellan 700 och 850°C och ett tryck av 10-50 bar, ss t att syre tillföres i en mängd som svarar mot -75 % av den stökiometriskt erforderliga, så att nagon smälta icke bildas.

Uppfinningen àskàdliggöres närmare av den följande detaljerade beskrivningen, tillsammans med ritningen. I ritningen visar fig. 1 ett schematiskt diagram över de huvudsakliga reaktionsprodukterna vid termisk sönder- delning av svartlut vid olika temperaturer och oxida- tionsgrader. Fig. 2 visar schematiskt uppbyggnaden a" en anläggning för genomförande av sättet enligt upp. 1- ningen.

Figur 1 visar i diagramform schematiskt vilka reaktionsprodukter som överväger vid förgasning av svartlut, koncentrerad till ca 60% torrsubstans, vid olika temperaturer och oxidationsgrader. Den främsta huvudprodukten utgöres över hela diagrammets område av Na2CO3, medan den önskvärda föreningen NaOH väsentligen saknas.

I de i det föregående nämnda Tomlinsonprocessen, Championprocessen och processen enligt den internatio- 462 106 nella patentansökningen PCT/SE86/00249 arbetar man vid så höga temperaturer att man befinner sig i diagrammets högra del, där smälta föreligger. Vid SCA-Billerudpro- cessen arbetar man däremot inom området A i diagrammet, där gasformig H25 utgör en huvudprodukt.

Det visade diagrammet avser reaktioner vid atmo- sfärtryck. Det har nu visat sig, att om reaktionerna genomföres vid ett förhöjt tryck, kommer gränslinjen B mellan omradet för gasformig H25 och omradet för vätskeformig Na2S att förskjutas at höger, mot högre temperaturer, så som antydes av pilen C mot den nya gränslinjen D. Genom att förgasa svartluten vid förhöjt tryck kan man alltsa arbeta vid högre temperaturer och fortfarande erhålla huvuddelen av det ingående svavlet i form av gasformigt svavelväte, samtidigt som bild- ningen av kol fràn de ingående organiska materialen undertryckes på grund av den högre arbetstemperaturen.

Det framgår även, att man icke får höja temperaturen så mycket att man kommer in i omradet för smälta, om detta skall undvikas.

I föreliggande beskrivning avses med uttrycket ~"förgasning" en förbränning under tillförsel av en syre- eller luftmängd, som är stökiometriskt otillräck- lig för en fullständig oxidation av det förgasade materialet. Med "förbränning" avses tillförseln av syre eller luft som är tillräcklig för en fullständig oxidation, medan uttrycket "pyrolys" avser en termisk sönderdelning utan tillträde av syre eller luft.

Enligt uppfinningen genomföres den termiska sön- derdelningen lämpligen vid ett tryck av 10-50 bar, och företrädesvis då vid 15-25 bar. Temperaturen bör ligga mellan ca 700 och ca 850°C, och företrädesvis då mellan ca 740 och ca 800°C. Vid högre temperaturer riskerar man att komma in i området för smälta, och vid lägre temperaturer blir bildningen av kol från de organiska materialen i luten allt mera besvärande.

Vidare bör den termiska sönderdelningen enligt 462 106 uppfinningen genomföras under en tillförsel av syre, som svarar mot en oxidationsgrad av 5 - 75 Z av det stökiometriska värdet för fullständig oxidation, och företrädesvis da 30 - 50 %. Vid den termiska sönderdelningen bildas även syrehaltiga produkter som ger ett bidrag till oxidationsreaktionerna, och den tillförda mängden syre får korrigeras med avseende pà detta. Vidare får även korrektioner för syrehalten göras, när luft eller syreanrikad luft tillföres i stället för ren syrgas. Det är givetvis även möjligt att tillföra såväl luft som syre genom två olika led- ningar, och även här fär korrektioner göras, så att den totalt tillförda mängden syre ligger inom de angivna gränserna. Genom att syretillförseln är lägre än den stökiometriskt erforderliga säkerställas att reduce- rande betingelser kommer att föreligga vid förgas- ningen, och att därför icke väsentliga mängder svavel- dioxid eller sulfat bildas.

I figur 2 visas schematiskt en möjlig uppbyggnad av en anläggning för genomförande av sättet enligt uppfinningen för en maximal utvinning av energi och kokkemikalier. Anläggningen är främst avsedd att anslu- tas till en sulfatmassaprocess, men den kan även an- passas till någon annan kemisk massaprocess. De modifi- kationer som därvid erfordras framgàr klart för fack- mannen.

Den ingående svartluten har en torrsubstanshalt av ca 65% och tillföras genom ledningen 1 till en lutför- tjockare 2, där den uppkoncentreras till en torrsub- stanshalt av ca 85% och sedan insprutas i tryckreaktorn 3.

I den under övertryck stående reaktorn 3 sönder- delas luten termiskt under tillförsel av en bestämd mängd luft genom ledningen 4 och inloppet 5, och even- tuellt även med tillförsel av syrgas eller syreanrikad luft genom ledningen 6. En del av de vid sönderdel- ningen bildade brännbara gaserna kan àterföras genom 462 106 ledningen 7 och användas som stödbränsle. Vid sönder- delningen bildar luten en fast fas, väsentligen bestå- ende av natriumkarbonat, och en gasfas, som väsentligen består av H28, CO, C02, H2, H20 CH4, m.fl. gaser.

Reaktionsprodukterna utledes från reaktorn 3 genom ledningen 8 till en separationsanordning 9, vilken lämpligen utgöres av ett flertal cykloner samlade i ett batteri. Det fasta materialet uppsamlas i en behållare , vilken även kan vara anbragt utanför det trycksatta reaktorhöljet, sa som antydes med streckade linjer vid 11. I behållaren 10 eller 11 upplöses natriumkarbonatet medelst en vattenhaltig vätska, som tillföres genom ledningen 12, och löst material och fasta föroreningar utledes genom ledningen 13 till ett tryckfilter 14, där fast material frànskiljes och bortföres genom ledningen . Detta material kan gå till kvittblivning genom restproduktledningen 16, eller aterföras genom led- ningen 17 till lutförtjockaren 2 för att åter under- kastas den termiska sönderdelningen.

Den fran tryckfiltret 14 erhallna vätskefasen, vilken främst utgöres av natriumkarbonat i lösning, ledes till en kausticeringsanläggning 18, eventuellt via en lagringscistern 19 för att utjämna svängningar i materialtillförseln. Kausticeringsanläggningen 18 kan vara av konventionellt utförande, eller kan utgöras av en anläggning för kausticering vid övertryck, så som beskrivas i den svenska patentskriften 419 997. Från kausticeringsanläggningen 18 erhålles natriumhydroxid- lösning, vilken bortledes genom ledningen 20 för bered- ning av ny vitlut, och mesa, vilken bortledes genom ledningen 21 till en mesaugn för ombränning. Den svaga lutlösning som erhålles vid tvättningen av mesan i kausticeringsanlâggningen utledes genom ledningen 12, och användes för upplösning av natriumkarbonatet och andra lösliga komponenter från den termiska sönderdel- ningen av svartluten i reaktorn 3.

Den fràn separationsanordningen 9 erhållna gasfa- 462 106 sen ledes genom ledningen 22 till en värmeväxlare 23 för överhettning av ånga, och sedan genom ledningen 24 till en första skrubber 25. I denna absorberas gasens innehåll av svavelväte och eventuella andra svavel- föreningar medelst en natriumhydroxidlösning, vilken tillföres genom ledningen 26, vilken utgör en grenled- ning från ledningen 20 för utgående natriumhydroxid- lösning från kausticeringsanordningen 18. Vid absorp- tionen bildas natriumsulfidlösning,'vilken bortledes genom ledningen 27 till beredning av vitlut.

Genom sättet enligt uppfinningen har det här alltså blivit möjligt att vid kemikalieåtervinningen erhålla en uppdelning mellan en sulfidrik och en hydroxid/karbonatrik ström. Detta är av väsentlig bety- delse och innebär en stor fördel, eftersom en avsevärd aflexibilitet vid beredningen av kokluten då erhålles.

Det blir även lätt möjligt att modifiera massakokningen så, att man börjar med en hög sulfiditet och avslutar med en lägre. Detta har visat sig ge goda resultat med avseende på det erhållna massautbytet och massans styrka.

Efter absorptionen av svavelväte tvättas gaserna i en andra skrubber 28 med vatten, vilket tillföres genom ledningen 29. Detta vatten har företrädesvis ungefär- ligen rumstemperatur. Vid tvättningen erhålles hetvat- ten, vilket bortledes genom ledningen 30 för användning på lämpligt sätt inom massaprocessen. En del av het- vattnet kan återföras gencn ledningen 31 för tvättning av gaserna vid deras inledning i skrubbern.

Den tvättade och samtidigt kylda gasen utledes från skrubbern 28 genom ledningen 31 till en gasturbin 32, som driver en elektrisk generator 33. En del av gasen kan avledas genom grenledningen 34 för att använ- das som bränsle i en mesaugn 35, och bortgår sedan som rökgaser genom ledningen 36. Eftersom den ingående bränslegasen till mesaugnen redan tidigare har befriats från svavelföreningar, kan rökgaserna oftast bortledas 462 106 direkt utan vidare rening.

Från gasturbinen 32 utledes avgaserna genom led- ningen 37. Dessa gaser har nu nära atmosfärtryck, och en starkt förhöjd temperatur, och deras värmeenergi tillvaratages i en gaspanna 38 för generering av hög- trycksanga. En del av bränslegaserna kan genom förbi- ledningen 39 ledas förbi gasturbinen och användas som stödbränsle i gaspannan, om så erfordras. Fràn gaspan- nan erhålles högtrycksánga, vilken bortledes genom ledningen 68 för att efter överhettning uträtta arbete i en angturbin, sa som kommer att beskrivas närmare i det följande.

Gasturbinen 32 driver även en kompressor, vilken lämpligen är uppdelad i tva steg 40 och 41 med en mellanliggande luftkylare 42. I denna luftkylare värme- växlas luften med matarvatten, som genom ledningen 44 ledes till gaspannan 38. Från kompressorn utledes tryckluften genom ledningen 45, och genom grenledningen 46 avgår en del av den till förbränningen av bränsle- gasen i gasturbinen 32. Återstoden av tryckluften ledes till reaktorn 3 för den termiska sönderdelningen av svartluten, och till en reaktor för tryckförgasning av bränsle, som närmare beskrivas i det följande.

Avgaserna från gaspannan utledes genom ledningen _47 till en torkanordning 48 för bränsle, och utledes slutligen som rökgaser genom ledningen 49. Även dessa rökgaser är väsentligen fria från svavelföreningar, och behöver därför oftast icke underkastas någon ytter- ligare rening.

I torkanordningen 48 utnyttjas rökgasernas värme- energi för torkning av bränsle, vilket kan vara av olika typ. Sålunda kan bränslet utgöras av kol eller av bark eller annat biobränsle, såsom träavfall, halm, torv, m.m., vilka tillföres sa som visas vid 50 och 51.

Vidare tillföras även kalk eller dolomit vid 52, för att binda eventuellt uppträdande svavelföreningar vid den följande förbränningen och ge en aska med lämpliga 462 106 hanteringsegenskaper. Det torkade materialet ledes sedan till en lämplig finfördelningsanordning, t.ex. en kvarn, där det finfördelas till lämplig partikelstor- lek.

Den finfördelade bränsleblandningen utledes sedan genom ledningen 54 till en anläggning 55 för förgasning under tryck. Denna anläggning innefattar en reaktor 56, i vilken den tillförda bränsleblandningen termiskt sönderdelas eller förgasas under tillträde av syre och vid ett tryck överatmosfärtrycket. Lämpligen genomföres förgasningen vid en temperatur av 700 - 1000°C, före- trädesvis da 750 - 875°C, och vid ett tryck av 10-50 bar, företrädesvis då 15-25 bar. Vid förgasningen tillföres luft genom grenledningen 57 från tryckluft- ledningen 45 och kompressorn 40. Om sà önskas, kan även syre i form av ren syrgas eller syreanrikad luft tillföras genom ledningen 58. Luften inledes i reaktorn 58 genom inloppet 59. Som stödbränsle vid förgasningen kan även àterföras en del av den brännbara gas som bildas vid reaktionen, genom ledningen 60.

Vid förgasningsreaktionen bildas främst brännbara gaser och aska. Dessa àtskiljes i en separationsanord- ning 61, vilken företrädesvis utgöres av ett cyklon- batteri, och askan uppsamlas i behållaren 62, för att sedan utledas till deponering. Gaserna ledes fràn sepa- rationsanordningen genom ledningen 63 till en värme- växlare 64, i vilken deras värmeinnehall utnyttjas för överhettning av ånga, och därefter till en skrubber 65, där de tvättas för avlägsnande av återstående fast material och utkondenserat vätskeformigt material, såsom tjära. Den använda tvättvätskan, vanligen bestä- ende av vatten, med det uttvättade materialet aterföres sedan genom ledningen 66 till lutförtjockaren 2, där den sammanslàs med den ingående svartluten och koncen- treras, för att sedan underkastas den termiska sönder- delningen i reaktorn 3. På detta sätt kan det uttvät- tade organiska materialet tillvaratagas och dess 462 106 energiinnehåll utvinnas.

De tvättade gaserna fràn skrubbern 65 utledes sedan genom ledningen 67, och sammanslas med gaserna i ledningen 31 fràn den termiska sönderdelningen av svartluten innan de sammanslagna gaserna ledes till gasturbinen 32.

Den högtrycksànga som genom ledningen 68 erhålles från gaspannan 38 ledes till överhettning i ett första steg 69, resp. 70 i värmeväxlarna 23, resp. 64 i reak- torn för termisk sönderdelning av svartluten, resp. tryckreaktorn 55 för bränsleförgasningen. Efter över- hettningen i det första steget ledes ångan till en ángturbin, vilken lämpligen är uppdelad i tva steg 71 och 72, och driver en elektrisk generator 73. Mellan de bada stegen i àngturbinen mellanöverhettas ångan i ytterligare överhettningssteg 74 och 75, vilka även är anordnade i värmeväxlarna 23, resp. 64. Från de bada turbinstegen kan sedan även erhållas processànga vid lagt och medelhögt tryck, och genom ledningarna 76, resp. 77 bortledas till andra behov inom massaanlägg- ningen.

I ritningsfiguren 2 har även angivits lämpliga värden pà tryck och temperatur för de väsentliga mate- rialströmmarna. Det är att märka, att dessa värden endast utgör exempel, och icke har någon begränsande innebörd med avseende pà uppfinningens skyddsomfang¿ Som angivits i det föregående, visar fig. 2 ett principiellt schema över uppbyggnaden av en anläggning för genomförande av sättet enligt uppfinningen. De i schemat visade elementen, såsom reaktorer, separa- tionsanordningar, värmeväxlare, gas- och àngturbiner, etc. är av ett i och för sig konventionellt utförande, och deras konstruktion i detalj ligger inom fackmannens kompetens, när väl de olika processparametrarna är uppställda. Detta gäller även valet av lämpliga mate- rial för utförandet av de olika ingaende apparaterna. 11 462 106 En anläggning enligt uppfinningen innefattar vidare ett avsevärt antal maskinelement av standardtyp, såsom ventiler, rörledningar, mätinstrument med tillhörande avkännare, m.m. Utförandet och placeringen i detalj av dessa element har icke visats i ritningen, och det ligger även inom fackmannens kompetens att anordna dem där de erfordras.

Genom föreliggande uppfinning uppnås ett antal väsentliga fördelar gentemot den konventionella tek- niken för återvinning av energi och kemikalier i massa- processer. Sålunda kan en högre reduktionsgrad uppnås vid den termiska sönderdelningen av svartluten. Vidare kan kemikalieströmmen från processen enkelt uppdelas i en sulfidström och en hydroxidström, varigenom en hög flexibilitet erhålles vid beredningen av vitluten för massakokningen. Detta medför i sin tur ett högre kok- utbyte, en lättare styrning av kokningen, en kortare koktid och en underlättad tvättning av massan efter kokningen, I fråga om energiutvinningen kan en avsevärt större mängd energi utvinnas i jämförelse med konven- tionell teknik, genom att en gasturbin användes och att ett högre ångtryck till ångturbinen kan erhållas.

Utvinning av energi från träavfall, bark och annat biobränsle kan på ett naturligt sätt integreras i processen. Vidare blir material- och underhållskost- naderna lägre, eftersom ett antal komponenter som varit väsentliga i den tidigare tekniken nu kan utgå. Detta gäller sådana komponenter som luftfläktar, rökgasfläk- tar och elektrofilter med stofthantering, eftersom man arbetar med en stoftfri och svavelfri bränslegas under tryck. Detta medför även att materialkorrosionen blir mindre. Ur miljösynpunkt är även en anläggning enligt föreliggande uppfinning klart överlägsen en konventio- nell, och även den inre arbetsmilgön blir helt fri från stoft och gaser när man arbetar med ett gastätt system under tryck. Eftersom vidare ingen smälta bildas, är även risken för smälta-vattenexplosioner helt elimi- 12 462 106 nerad.

I föreliggande beskrivning och ritning har främst visats tillämpningen av processen enligt uppfinningen i en sulfatmassaprocess. Detta utgör dock endast ett exempel på en föredragen utföringsform av uppfinningen, och har ingen begränsande innebörd. Uppfinningen kan även tillämpas för återvinning av energi och kemikalier vid andra typer av massaprocesser, och det innebär för fackmannen inga svårigheter att pá basis av vad som redan är känt om processerna göra de modifikationer i fråga om apparatur och arbetsbetingelser som i vart fall erfordras. Uppfinningens grundidé förblir hela tiden densamma, och begränsas endast av patentkravens omfång. m

Claims (9)

#3 462 106 Patentkrav

1. Sätt att utvinna energi och kemikalier ur avlut fran massaberedning, varvid luten efter koncentrering termiskt sönderdelas vid ett tryck över atmosfärtrycket och under tillförsel av syre i en mängd under den stökiometriskt erfor- derliga för fullständig oxidation, och fràn de vid sönderdel- ningen bildade gaserna svavelhaltiga föreningar utvinnes genom att absorberas av en alkalisk lösning, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den termiska sönderdelningen genomföres i ett steg vid en temperatur mellan 700 och 850°C och ett tryck av 10-50 bar, samt att syre tillföras i en mängd som svarar mot 5-75 % av den stökiometriskt erforderliga, sa att nagon smälta icke bildas.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att avluten härrör från en sulfatmassaprocess.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a t därav, att den termiska sönderdelningsn genomföras vid en temperatur mellan 740 och 800°C.

4. Sätt enligt nagot av krav 1-3, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den termiska sönderdelningen genomföres vid ett tryck av 15-25 bar.

5. Sätt enligt nagot av krav 1-4, k ä n n e t e c k - n a t därav, att vid den termiska sönderdelningen syre till- föres i en mängd, svarande mot 30 - 50 % av den stökiometriska mängden för fullständig oxidation.

6. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att gaserna fràn den termiska sönderdelningen efter att ha tvättas bringas att uträtta arbete under förbränning i en gasturbin, och därefter i en gaspanna bringas att avgiva energi för generering av anga.

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att gaserna från gaspannan användes för torkning och värfaing av ett eller flera bränslen, vilka därefter i en förgasnings- anordning vid ett tryck över atmosfärtrycket och under till- försel av syre termiskt sönderdelas till att bilda brännbara gaser, vilka sammanslàs med de tvättade gaserna fran den termiska sönderdelningen av avluten, innan de ledes till gasturbinen. få' 462 106

8. Sätt enligt krav 6 eller 7, k ä n n e t e c k- n a t därav, att gasturbinen driver en kompressor, vilken komprimerar en syrehaltig gas, som därefter ledas till en termieka sönderdelningen av avluten och till förgasningsanord- ningen.

9. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att angan från gaspannan värmeväxlas mot gaserna fran den termiska sönderdelningen, och därefter bringas att uträtta arbete i en ångturbin. (IL u»