SE502038C2 - Förfarande för tvättning och kylning av gaser vid förgasning av svartlut - Google Patents

Description

502 038 2 Även denna process, trots att den är avsevärt enklare och smidigare än Tomlinson-processen, uppvisar dock en förbättringspotential. En nackdel är till exempel att oönskat vätekarbonat bildas i grönluten i samband med att koldioxid i pyrolysgasen kommer i kontakt med den samma då gas och smälta- droppar kyles i det första steget. I utgående gas från gastvätten kvarstår dessutom i gasen förekommande ytterst små, näst intill hydrofoba partiklar som gastvätten enligt SE 448 173 ej förmår effektivt avskilja. Ytterligare en nackdel är att energiutvinningen ur gasens fysiska värmevärde ej kan drivas helt optimalt för produktion av högvärdig processånga utan endast ånga av relativt moderat tryck kan framställas.

LÖSNING Föreliggande uppfinning är en vidareutveckling av konceptet enligt SE 448 173 och eliminerar effektivt nackdelarna med denna kända teknik.

Den uppfunna metodens ide'är att åstadkomma en möjlighet att producera grönlut utan att oönskat vätekarbonat bildas i den samma samt att åstadkomma en möjlighet att optimalt utnyttja gasens innehåll av termisk energi och ångbildningsvärrne samtidigt som gasens innehåll av små partiklar, så kallade fumes eller micro-solids, effektivt avskiljes.

Principen är att utgående gas/smälta-blandning från reaktorn kyles i ett första steg medelst direktkontakt med en kylvätska som huvudsakligen består av vatten i form av kondensat. Intensiv kontakt mellan gasen och grönlut som bildas då smälta-droppar och vätesulfid löses i kylvätskan undvikes i möjligaste mån_ Härigenom undviker man att koldioxid i gasen reagerar med natriumkarbonat i grönluten och bildar natriumvätekarbonat samt att koldioxiden reagerar med natriumhydroxid och bildar natriumkarbonat. Det är bra om den natriumhydroxid som bildats ej omvandlas till natriumkarbonat, eftersom natriumhydroxid är den önskade slutprodukten efter kausticering av grönluten. I kausticeringen omvandlas natriurnkarbonat till natriumhydroxid genom reaktion med släckt kalk.

Gastvätten i det andra steget utformas däremot så att maximalt intensiv kontakt uppstår mellan gasen och tvättvätskan, som huvudsakligen består av vatten i form av kondensat. I ett föredraget utförande löses detta genom quenchning i två steg, där gasen i första quenchsteget ej tillåtes att bubbla genom vätskebadet av grönlut som uppsarnlats i botten av kärlet. I andra quenchsteget tvättas gasen 3 502 038 genom att den får bubbla genom ett andra vätskebad som huvudsakligen består av vatten i form av kondensat. På så sätt åstadkommes en effektiv rening och fuktmättning av den heta gasen. Ur den heta fuktmättade gasen utvinnes sedan företrädesvis energi i fonn av kondensationsvänne och termisk energi genom utnyttjande av en motströms indirekt kylare. Med hjälp av till exempel en motströms fallfilmskondensor kan man effektivt i en enda enhet skapa högvärdig ånga, förvärma matarvatten samt producera varmvatten. Gasens innehåll av små partiklar, micro-solids huvudsakligen bestående av natriurrikarbonat, fungerar som kondensationskämor i kylaren och avskiljs därför effektivt ur gasen för att samlas upp och lösas i kondensatet.

Visserligen är det i sig förut känt genom US patentet 4,328,008 (Texaco) att kyla och separera reaktionsprodukter från en förgasningsreaktor i två på varandra följande quenchsteg. Detta patent skiljer sig dock från föreliggande uppfinning dels genom att det avser ett armat användningsområde, förbränning av fast bränsle, utan den möjlighet till grönlutsprodiiktion som är huvudsyftet med föreliggande uppfinning men också genom att det föredragna konceptet med optimal energiåtervinning ur het fiiktmättad gas med utnyttjande av motströms kondensor saknas. De två quenchstegen i US 4,328,008 är dessutom ej konstruerade för att uppnå minimal kontakt mellan gas och produkt i vätskefas i forsta steget och maximal kontakt i andra steget som är fallet i den här beskrivna uppfinningen.

Uppfinningen kommer nedan att beskrivas mera i detalj utifrån en fördragen utföringsfonn med hänvisning till bifogade figurer.

KORT FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en föredragen utföringsfonn av konceptet enligt uppfinningen.

Figur 2 visar en föredragen utföringsfonn för energiutvinning ur bränngas genom indirekt motströms kylning. 502 038 i 4 DETALJERAD FIGURBESKRIVNING Detalj nummer 1 i Figur 1 anger ett tryckkärl innefattande en keramiskt infodrad fórgasningsreaktor 2. Reaktom är försedd med ett inlopp 3 för svartlut och ett inlopp 4 för syre eller syreinnehållande gas samt en brärmare (ej visad).

Reaktorkammaren öppnar sig nedåt i form av ett störtrör 5 som mynnar strax ovanför vätskeytan i en nedanförliggande grönlutsvätskekarnrnare 6. I störtröret mynnar ett antal munstycken 7 för kylvätska. Producerad grönlut transporteras från kammaren 6 genom en ledning 8 via en pump 9 och en värmeväxlare 10 till efterföljande processteg för vitlutsgenerering eller annat processteg där grönlut användes. Bränngasen från det forsta kärlet föres genom en ledning 11 till ett andra tryckkärl 12 för gasbehandling och energiutvinning. Denna ledning 11 mynnar i tryckkärlet 12 under vätskeytan i en tvättvåtskekammare 13 längst ned i kärlet. Ovanför kammaren 13 befinner sig en indirekt kylare av typen motströms fallfilmskondensor 16. I toppen av det andra tryckkärlet 12 finns ett utlopp 17 för kyld bränngas.

Vätskan i det andra kärlets tvättvätskekanimare kan genom en ledning 14 via en pump 15 föras till det första kärlet för att tjänstgöra som spädvätska eller som kylvätska via spraydysoma 7. Matarvatten för ångenerering tillföres kondensom 16 via en ledning 18 och producerad ånga har sitt utlopp via en ledning 19. (Energiutvinningen visas mer utförligt i Figur 2.) Kallvatten tillföres kondensoms övre del via en ledning 20 och producerat varmvatten har sitt utlopp via ledning 21. Vattentillskott för upprätthållande av vätskebalans tillföres systemet via en ledning 22.

Steg 1 - Förgasning och kylning.

Själva förgasningsmetoden skall ej närmare beskrivas här utan framgår tydligt av patentet SE 448 173. Produkten efter genomförd flash-pyrolys med understökiometrisk syretillsats är dock i det föredragna exemplet huvudsakligen en blandning av gasformigt väte, kolmonoxid, koldioxid, vattenånga och svavelväte samt smälta droppar av natriumkarbonat, natriurnhydroxid och natriumsulfid med en temperatur på cirka 950°C och ett absolut tryck på 26 bar. Gasens hastighet är hög och hjälper till att överföra de smälta droppama, som delvis bildar en film på reaktorväggarna, till grönlutsvätskekammaren 6, vilken är anordnad under förgasningsreaktorn 2. Utloppet från reaktom utgöres av ett störtrör 5 i vilket kylvätska sprayas genom ett antal munstycken 7 för 502 038 maximal kontakt med smälta/gas-blandningen. Kylvätskan utgöres huvudsakligen av vatten, vilket vatten delvis kommer att förångas vid kontakten med het gas och smälta vid reaktortemperatur. Smälta-droppama och smälta- filmen utefter reaktorväggarna löses i resterande del av kylvätskan och bildar härigenom grönlut som faller ned i vätskekarrunaren 6. Alternativt faller smälta- droppama direkt ned i vätskekammaren 6 och löses först då upp i den grönlut som redan befinner sig där. Kylningen av smälta-droppama sker då genom förångriing av vatten i grönlutsbadet.

Störtröret 5 myrmar strax ovanför vätskenivån i vätskekarnmaren 6. Detta är mycket viktigt för att undvika intensiv kontakt mellan gasen och den bildade grönluten. Om röret hade mynnat under vätskeytan skulle gasen tvingats bubbla genom grönluten med påföljd att vätekarbonat hade bildats genom reaktion mellan i gasen förekommande koldioxid och i grönluten förekommande natriumhydroxid och natriumkarbonat. Temperaturen efter kylning styrs av det valda driftstrycket, och är relaterad till den mättade ångans temperatur vid detta tryck. Vid ett driftsuyck av 26 bar kan således en järnviktstemperatur på 2O00C hos grönlut och gas förväntas i kylsteget om ångpartialtrycket är 60%.

Grönluten lärnnar det första tryckkärlet l genom en ledning 8 och pumpas med hjälp av en pump 9 genom en värmeväxlare 10 där värmeenergi utvinnes ur grönluten genom kylning av densamma.

En mindre del av grönluten användes för vätning av störtrörets 5 insida genom att den återföres dit och tillåtes bilda en tunn film på störtrörets insida.

Steg 2 - Gastvätt.

Den kylda, partiellt fuktmättade gasen lämnar det första kärlet 1 via en ledning ll som mynnar i det andra kärlet 12. Ledningen ll mynnar i form av ett vätskelås, bestående av ett störtrör och ett stigrör, under vätskeytan i tvättvätskekammaren 13 som befinner sig längst ned i kärlet. Genom att ledningen på detta sätt mynnar under vätskeytan tvingas gasen att via vätskelåset bubbla genom vätskan, som huvudsakligen består av vatten, för att kunna stiga uppåt. Härigenom åstadkommes en total fuktmättning av gasen sanitidigt som den tvättas på sitt innehåll av resterande kemikalier. Genom den intensiva kontakt mellan gas och tvättvätska som möjliggöres kommer även en del av i gasen förekommande mycket svårseparerbara små partiklar, så kallade micro-solids eller fumes, att till stor del tvättas ur. Temperaturen på tvättvätskebadet 13 och gasen som lämnar badet är huvudsakligen den samma 502 oss 6 som temperaturen i grönlutsvätskekamrnaren 6 i det forsta kärlet 1. Härigenom möjliggöres ett högt ångpartialttyck i brärmgasen.

Tvättvätskan i vätskekanunaren 13 återföres till det första kärlet 1 genom en ledning 14 för att utgöra spädvätska till grönluten i vätskekammaren 6 eller för att utgöra den kylvätska som sprayas in i störtröret 5 via munstyckena 7.

Efter energiåtervinning i kondensom 16 lämnar gasen systemet i ett flöde 17.

Eventuellt kvarvarande svavelinriehållande föreningar tvättas därefter ut ur gasen med alkalisk tvättvätska, till exempel natriurnkarbonat.

Steg 3 - Energiåtervinning.

I Figur 2 visas konceptet för energiåtervinning enligt uppfinningen i en föredragen utföringsforrn vid systemtrycket 26 bar. Principen bygger på utnyttjandet av en motströms fallfilmskondensor 16 som installeras ovanför tvättvätskebadet 13 i det andra tryckkärlet 12. Den fuktmättade gasen av temperaturen 200°C som lärnnar tvättvätskebadet 13 bringas att kondensera genom indirekt värmeöverföring till fórvärmt matarvatten 23 av en temperatur på ca 1800C. Matarvattnet förångas härvid och resulterande ånga av ca 10 bars överuyck och ca 184°C kan via en ångdom 24 lämna systemet i ett flöde 25 för att utriyttjas på annat ställe i industrin. Kondensatet som lämnar gasen faller ned i tvättvätskekamrnaren 13 och kommer där delvis att utgöra tvättvätska för inkommande gas ll. Denna gas kommer alltså att tvättas i "eget" hett kondensat. Vätskan i tvättvätskekammaren 13 består huvudsakligen av vatten, men även uttvättade kemikalier som funnits i gasfasen och lösts i kondensatet återfmnes naturligtvis i denna vätska.

Efter partiell kondensering håller gasen en temperatur på ca l9O0C och kan nu utnyttjas för förvärmning av nämnda matarvatten. Detta matarvatten kommer in till kondensom via en ledning 18 och håller en temperatur på ca 700C . Efier indirekt överföring av värme från gasen uppnår matarvattnet ca 180°C och kan efter att ha passerat ångdomen 24 användas för ånggenerering enligt beskrivningen ovan.

Gasen håller efter förvämming av matarvattnet en temperatur på ca 80°C och det återstående värmevärdet ned till ca 30°C kan i samma kondensorenhet utnyttjas för generering av varmvatten. Härvid kommer kallvatten in till kondensom genom en ledning 20 vid ca 15°C och lämnar kondensom genom en ledning 21 vid ca 70°C.

Vattentillskott för att balansera vätskeförlust ur systemet bland annat i form av uttagen grönlut 8 tillföres i en mängd av ca 2,1 m3 per ton massa till 7 502 038 kondensoms övre del i ett flöde 22. Genom motströmsförfarandet värms detta vatten till 200°C innan det förenar sig med kondensatet i tvättvätskekammaren 13.

Gasen lämnar kondensom vid ca 30°C i ett flöde 17 och dess kemiska energi utnyttjas genom att den förbränns, varvid ånga och/eller elektricitet produceras, till exempel enligt konceptet i SE 448 173.

FÖRDELAR Genom motströmsprincipen för energiåtervinning utnyttjas förångiiingsvärmet från kylsteget i det första kärlet till fullo som kondensationsvänne i det andra kärlet. En hög termisk nivå, som möjliggör genereiing av högvärdig ånga, grundläggs av principen att gasen i det andra steget tvättas i "eget" hett kondensat. Genom återföxing av detta kondensat till kylsteget möjliggöres dessutom att kylbehovet för smälta/gas från reaktom till 90 - 100 % utgöres av förångningsvärme.

Fuktmättad bränngas innehåller omkring fyra gånger mera vattenånga än gas jämfört som specifik volym. Detta innebär genom motströmsförfarandet att ång-/gasblandningen vid inloppet till kondensom exempelvis har en hastighet av omkring 10 rn/s, varefter gashastigheten retarderar när fukten kondenserar så att hastigheten vid utloppet blir omkring 4 - 5 m/s. Härigenom förenklas droppavskiljning av med gasen medryckta droppar.

Gasens kvarvarande innehåll av ytterst svårseparerbara små partiklar, så kallade micro-solids eller fumes, av storleken 0,01 - 1,0 um utnyttjas som kondensationskämor och separering av dessa partiklar möjliggöres därigenom.

Genom i motströmsprincipen erforderlig låg gashastighet ges längre uppehållstid för vätning av dessa näst intill hydrofoba partiklar än vad som oftast är fallet vid kylning enligt medströmsprincip.

Ytterligare en fördel med motströmsförfarandet är att de känsliga, kladdningsbenägna nedre kylytoma i kondensom hålles fria från beläggning genom spolning med hela kondensatflödet vid hög temperatur. 502 038 s Apparattekniskt samt styr- och reglermässigt utgör ett kompakt flerfurtktionellt gasbehandlingstom med ett enda ställe för kondensatuppsarnling en väsentlig förenkling jämfört med konventionellt koncept.

Genom separat quenchning av smälta i första steget och gas i andra steget undvikes produktion av vätekarbonat i grönluten.

Erfarenheter visar att vätskan i det första kärlets quenchsteg har en benägenhet att skumma vid tillfälliga trycksänkningar i systemet. Föreliggande metod möjliggör att sådant skum från det första steget absorberas av tvättvätskan i det andra quenchsteget.

ALTERNATIVA UTFÖRINGSFORMER Utföringsformen enligt beskrivningen ovan är en föredragen sådan.

Uppfmningen är dock ej begränsad till denna beskrivning utan kan varieras inom ramen för patentkraven. De olika delstegen i motströms kondensom, då den heta fuktmättade gasens kondensationsvärme och termiska energi utvínnes, kan givetvis vara färre eller fler och de givna temperaturerna på till exempel matarvatten och gas i de olika delstegen kan ligga på andra värden.

Förgasningstemperaturen i reaktom kan vara 500 - l600°C, företrädesvis 700 - 130O0C och mer föredraget 800 - IOOOÛC och systemtrycket kan vara upp till 150 bars absolut tryck, företrädesvis 21 - 50 bar, men även atmosfärstryck är tänkbart även om det då ej är möjligt att generera högvärdig ånga.

Temperaturnivån på kondensat och grönlut bör vara så hög som möjligt, men begränsas av mättnadstemperaturen vid varje givet systemtryck. Temperaturen kan till exempel vara cirka 170 - 260°C om systemlrycket är 21 - 50 bar och ångpartialtrycket i kylsteget i det första kärlet ca 35 - 90 %. Vid till exempel 83 % ångpartialtiyck och 26 bar absolut tryck blir temperaturen 2160C.

Vatten för upprätthållande av vätskebalans kan förutom till kondensoms övre del tillföras direkt till kondensatet, till exempel till ledningen 14.

Principen för kondensom 16 kan även tänkas användas i samband med andra systemlösningar med likartat behov. 9 502 038 Kondensom 16 behöver ej inrymmas i samma kärl som tvättvätskebadet 13, även om detta är fördelaktigt, utan kylning och kondensering av den fuktmättade gasen kan utföras i en separat kylare med återföring av kondensatet från denna kylare till det kärl som inrymmer tvättvätskebadet 13. Eventuellt kan denna separata kylare utgöras av en konventionell kylare, ej motströms fallfrlrnskondensor, varvid naturligtvis fördelarna med en sådan ej uppnås.

De två quenchernas/störtkylbadens utformning med störtrör och vätskebad kan apparattekniskt utformas på olika sätt. I det första kärlet 1 kan till exempel torrseparering utföras på så sätt att smälta-droppama får falla ned i kylbadet 6 utan att kylvätska sprayas in i strömmen av smälta-droppar. Gasen avleds då från strömmen av smälta-droppar och kylvätskan sprayas istället direkt in i denna gasström, varvid eventuellt medryckta droppar av smälta upplöses och faller ned i kylbadet. I det andra kärlet 12 kan quenchen utformas för obegränsad mammutpumpeffekt, det vill säga möjlighet för gas att lyfta vätska, varigenom erhålles god cirkulations- och tvätteffekt. Alternativt kan i ett eller i båda quenchstegen utnyttjas en så kallad venturiquench, eventuellt med avledarskänn.

De båda vätskebaden 6 och 13 kan också inrymmas i ett och samma kärl där de hålles åtskiljda till exempel utav en mellanvägg.

Uppfinningskonceptet är naturligtvis också tillämpbart när det gäller kemikalieåtewinning i processer med helt andra typer av avlutar och återvunna kemikalier, till exempel blekeriavlutar, avlutar från framställning av halvkemisk massa (till exempel CTMP) eller avlutar från en massaprocess baserad på kalium som bas istället för natrium.

Claims (10)

5 0 2 0 3 8 10 PATENTKRAV

1. Förfarande för utvinning av kemikalier och energi från svartlut erhållen vid pappersmassaframstälhiing genom kemisk uppslutning av fiberråvara, varvid svartluten förgasas under huvudsaklig bildning av CO, C02, CH4, H2 och H2S i gasform samt Na2CO3, NaOH och Na2S, i form av droppar av smälta. Den resulterande blandningen av gas och smälta kyles, i ett första steg, genom direktkontakt med en kylvätska huvudsakligen bestående av vatten, varvid en del av kylvätskan förångas och smälta-droppama avskiljes och löses i resterande del av kylvätskan under bildande av ett våtskebad (6) av grönlut. I ett andra steg tvättas och fiiktrmättas sagda gas genom direktkontakt med ett tvättvätskebad (13) huvudsakligen bestående av vatten. Efter gastvätten i det andra steget utvinnes energi i form av termisk energi samt kondensationsvärme ur den heta fuktmättade gasen i en indirekt kylare (16). F örfarandet k ä n n e te c k n a s a v att kontakten mellan gasen och vätskebadet (6) bestående av grönlut i det första steget är väsentligen mindre än kontakten mellan gasen och tvättvätskebadet (13) huvudsakligen bestående av vatten i det andra steget.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att energiinnehållet i den heta fuktmättade gasen tillvaratas med hjälp av en indirekt kylare (16) varvid resulterande hett kondensat från kylaren (16) uppsamlas för att utgöra del, företrädesvis utgöra huvudsaklig del, av tvättvätskebadet (13) i det andra steget.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att den indirekta kylningen åstadkommes genom ett motströms förfarande. Kondensationsvärmet i gasen samt den mest högvärdiga delen av gasens termiska energi utnyttjas därigenom för generering av högvärdig ånga. Resterande termisk energi utnyttjas för förvännning av matarvatten till nämnda ånggenerering och produktion av varmvatten.

4. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n at a v att vätskebalans upprätthålles i vätskebaden (6, 13) genom vätsketillskott (22), företrädesvis bestående av vatten, till kylarens (16) övre del. 11 502 038

5. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n at a v att het vätska återföres från tvättvåtskebadet (13) i ett flöde (14) till det första steget för att där utgöra kylvätska samt lösningsvätska till grönlutsvätskebadet.

6. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n at a v att gasen i det första steget ej tillåtes bubbla genom vätskebadet (6) bestående av grönlut.

7. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n at a v att gasen i det andra steget bringas att bubbla genom tvättvätskebadet (13).

8. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t a v att den indirekta kylaren (16) utgöres av en motströms fallfilmskondensor.

9. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att trycket i systemet är upp till 150 bar, företrädesvis 21- 50 bar.

10. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att temperaturen i tvättvätskebadet (13) är huvudsakligen densamma som temperaturen på till tvättvätskebadet inkommande gas samt temperaturen i grönlutsvätskebadet (6).