СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ НАКИПИ В СИСТЕМАХ ВАРОЧНЫХ КОТЛОВ
PROCEDURE FOR DECREASING SCALE IN SYSTEMS OF KIERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к варке древесной щепы в варочном котле с использованием щелочного раствора для производства целлюлозы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В целлюлозно-бумажной промышленности древесные бревна перерабатываются в щепу, которая впоследствии обрабатывается в варочном котле для разделения волокон целлюлозы и удаления некоторых количеств лигнина и т.д., который связывает волокна в природном составе дерева, для производства целлюлозы.
Варка древесной щепы с применением щелочного варочного раствора является обычной практикой в отрасли. В ходе этого процесса древесная щепа и щелочной варочный раствор, иногда заранее смешанные, вводятся в верхнюю входную секцию варочного котла непрерывного действия (автоклава). В процессе варки щепа и варочный раствор обычно, но не всегда, перемещаются вниз по варочному котлу, варка в общем оптимально завершается, когда масса достигает донной секции котла. Типичный варочный котел разделен на зоны: входную зону, верхнюю варочную зону, в которой помимо прочего масса щепы/варочного раствора нагревается до максимальной температуры варки, зону полной варки, в которой эта масса выдерживается при максимальной температуре варки в течение определенного времени, зону отбора, в которой отработанный варочный раствор (в данный момент черный щелок) выводится из варочного котла, промывочную зону, в которой масса промывается технологическими растворами для вымывания в черный щелок растворенных в массе твердых веществ, и зону сдувки, в которой масса (частично) промытой целлюлозы выводится из варочного котла и подается в другие устройства для обработки, такие как агрегаты для промывки целлюлозы.
Образование накипи происходит на поверхностях оборудования в щелочной варке и приводит к снижению производительности и увеличению эксплуатационных расходов. Сильное образование накипи в системе варочного котла непрерывного действия часто приводит к остановке производства на несколько дней в году для удаления накипи путем чистки с помощью кислоты или водоструйной очисткой под высоким давлением. В настоящее время не существует известных, эффективных по стоимости модификаций для предотвращения образования накипи, и многие целлюлозно-бумажные заводы полагаются на использование ряда дорогих химикатов, обычно называемых "антинакипинами", которые добавляются к древесной массе для того, чтобы препятствовать образованию накипи. Даже при использовании антинакипинов часто требуется дорогостоящая регулярная очистка нагревателей и другого варочного оборудования.
Доказано, что карбонат кальция является основным компонентом накипи, образующейся на поверхностях оборудования для щелочной варки целлюлозы, такого как нагреватели и сетчатые фильтры варочных котлов. Кроме того, древесина обычно является единственным крупнейшим источником кальция, присутствующего в варочном растворе. По имеющимся данным растворимость солей кальция в щелочном варочном растворе сначала увеличивается и затем уменьшается при увеличении температуры варки и/или времени варки. После того как количество кальция в варочном растворе превысит его растворимость, кальций осаждается в виде карбоната кальция и вместе с лигнином и другими отложениями образует накипь на поверхности нагревателя, сетчатых фильтров и стенках варочного котла. Таким образом, при обычных условиях щелочной варки целлюлозы количество кальция, растворенного в варочном растворе, увеличивается с ходом процесса, проходит через максимум при достижении максимальной температуры варки и впоследствии быстро снижается в результате осаждения карбоната кальция на поверхностях оборудования (образуя накипь) и поверхностях щепы/волокон.
Было доказано, что тенденция кальция к образованию накипи в варочном растворе резко снижается после нагрева раствора до обычных максимальных температур варки. Это действие иногда называется в технике деактивацией кальция путем тепловой обработки и практикуется в некоторых варочных котлах. Пример такой деактивации кальция, который описан в Европейской патентной заявке ЕР 0313730 А1, заключается в нагреве варочного раствора с высоким содержанием кальция до максимальной температуры варки, выдержке его при этой температуре в сосуде в течение некоторого времени, обычно больше десяти минут, и возврате раствора после термообработки с "деактивированным" кальцием в систему варочного котла. Поскольку на поверхностях такого "жертвенного" сосуда образуется накипь, обычно необходимы по меньшей мере два сосуда, чтобы поддерживать непрерывный процесс деактивации кальция, причем по меньшей мере один сосуд находится в эксплуатации, и один сосуд очищается от накипи. Эта технология вероятно является эффективной, но требует дополнительных капитальных затрат и эксплуатационных расходов, и поэтому она в отрасли широко не распространена.
Очистка варочного котла от накипи требует вывода котла из эксплуатации и удаления накипи, обычно путем химического растворения накипи и/или путем чистки жидкостью под давлением. При такой очистке варочный котел простаивает в течение нескольких дней, и для выполнения очистки требуется рабочая сила, что приводит к большим расходам. Вследствие необходимости таких расходов чистка варочных котлов обычно проводится не чаще одного раза в год. Постепенное накопление накипи в варочном котле в течение года приводит к еще большей потере эффективности его работы. Поэтому весьма желательно разработать способ уменьшения или по существу устранения накопления накипи в варочном котле.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу эксплуатации варочного котла для преобразования древесной щепы в целлюлозу для производства бумаги с использованием щелочного варочного раствора, где варочный котел состоит из в общем цилиндрического сосуда, имеющего верхнюю секцию и нижнюю секцию, согласно которому осаждение карбоната кальция на поверхности варочного котла и/или вспомогательного оборудования уменьшено. На первом этапе усовершенствованного способа первое количество варочного раствора, имеющее первую концентрацию растворенного в нем кальция, отбирается из первого места, расположенного между верхней и нижней секциями сосуда. На втором этапе второе количество варочного раствора, имеющего вторую концентрацию растворенного в нем кальция, которая ниже упомянутой первой концентрации растворенного кальция, извлекается из сосуда во втором месте, отстоящем на некоторое расстояние от упомянутого первого места и расположенном вниз по потоку от него. На третьем этапе по меньшей мере часть упомянутого второго количества варочного раствора возвращается обратно в сосуд в третьем месте, расположенном вверх по потоку от упомянутого места отбора упомянутого второго количества варочного раствора.
В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к варочному котлу, состоящему из в общем цилиндрического сосуда, имеющего верхнюю секцию и нижнюю секцию, для осуществления усовершенствованного способа. Варочный котел содержит первый контур для сообщения жидкости с первым местом, расположенным между верхней и нижней секциями, для выборочного отбора первого количества варочного раствора из сосуда в первом месте, причем упомянутое первое место расположено вверх по потоку от второго места в сосуде, где варочный раствор достиг в сущности максимальной температуры варки. Варочный сосуд также содержит второй контур для сообщения жидкости с третьим местом, расположенным между верхней и нижней секциями и вниз по потоку от первого и второго мест, и для сообщения жидкости с четвертым местом, расположенным в первом месте, рядом с ним или выше по потоку от первого места. Второй контур выборочно отбирает второе количество варочного раствора из сосуда в третьем месте, подает по меньшей мере часть отобранного второго количества варочного раствора в четвертое место и вводит по меньшей мере часть поданного второго количества варочного раствора в сосуд в четвертом месте.
Данный способ и варочный котел имеют ряд преимуществ. Одним преимуществом является уменьшенное образование накипи карбоната кальция. Модификации способа, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть реализованы на конкретной системе варочного котла таким образом, чтобы чистое уменьшение к энергии варки целлюлозы в виде объема потребления пара среднего или высокого давления давало повышенную экономию.
Кроме того, если содержание растворенных твердых веществ в технологическом растворе, добавляемом на ранних этапах варки, меньше, чем в растворе, выводимом из системы варки, качество промывания щепы, оставшейся после варки, улучшается, и небольшое количество слабого черного щелока может использоваться при промывке целлюлозы. В результате, используется меньшее количество промывочного раствора, повышенное количество твердых частиц направляется в выпариватели, и дополнительная экономия достигается за счет меньшего расхода пара при выпаривании слабого черного щелока. Кроме того, установлено, что удаление кальция и других посторонних элементов, а также некоторых экстрактивных веществ на ранних этапах варки повышает белизну и отбеливаемость целлюлозы. Таким образом, настоящее изобретение имеет дополнительное преимущество в том, что оно дает дополнительную экономию на меньших расходах на беление целлюлозы.
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу увеличения пропускной способности варочного котла типа, который содержит вертикальный, в основном, цилиндрический сосуд с верхней секцией и нижней секцией. На первом этапе этого способа первое количество варочного раствора отбирается из сосуда в первом месте и с первым значением расхода. На втором этапе второе количество варочного раствора, равное или больше первого количества, непрерывно вводится в сосуд во втором месте, которое расположено в первом месте, рядом с ним или выше его по потоку при втором значении расхода, которое равно или больше первого значения расхода. Преимуществом этого варианта осуществления изобретения является увеличение устойчивой максимальной производственной пропускной способности варочного котла непрерывного действия путем увеличения количества варочного раствора, проходящего вниз для создания повышенного направленного вниз усилия на щепу, находящуюся в варочном котле.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 представлена схема типичной системы варочного котла с одним сосудом, и показаны основные компоненты трубопроводов системы по способу настоящего изобретения.
На Фиг.2 представлена схема типичной системы варочного котла с двумя сосудами и показаны основные компоненты трубопроводов системы по способу настоящего изобретения.
На Фиг.3 представлена схема Фиг.1, включающая некоторые аспекты Примера I описания изобретения.
На Фиг.4 представлена схема Фиг.1, включающая некоторые аспекты Примера II описания изобретения.
На Фиг.5 представлена схема Фиг.1, включающая некоторые аспекты Примера III описания изобретения.
На Фиг.6 представлена схема Фиг.1 с указанием типичных диапазонов концентрации кальция в отношении варочного котла с одним сосудом.
ОПИСАНИЕ ЛУЧШЕГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Делается ссылка на Фиг.1, на которой схематически показан гидравлический варочный котел 12 непрерывного действия с одним сосудом, подходящий для осуществления способа настоящего изобретения. Показанный варочный котел 12 содержит вертикальный, в основном, цилиндрический сосуд 14, имеющий верхнюю секцию 16, в которую загружается партия древесной щепы и щелочной варочный раствор 18, и нижнюю секцию 20, которая содержит узел 22 сдувки, посредством которого поток 24 смеси древесных волокон и использованного варочного раствора (целлюлоза) удаляется из сосуда. В показанном варианте осуществления между верхней и нижней секциями сосуда предусмотрены подсистема 28 циркуляции промывочного раствора, нижнее место 30 отбора, нижняя подсистема 32 циркуляции варочного раствора, верхнее место 34 отбора, верхняя подсистема 36 циркуляции варочного раствора и верхняя подсистема 38 циркуляции.
Из нижней секции сосуда удаляемый поток целлюлозы 24 подается в первый промывной агрегат (не показан), и фильтрат 42 промывочного раствора из первого агрегата промывки целлюлозы часто охлаждается в охладителе 40, "фильтрат холодной сдувки" 26, как он обычно называется в данной области техники, и вводится в нижнюю секцию варочного котла для охлаждения и промывки древесных волокон после варки над узлом 22 сдувки. Этот фильтрат используется для рециркуляции в сосуд, с охлаждением или без и с дальнейшей обработкой или без, до или после смешивания с потоком белого щелока (БЩ) 44 и/или черного щелока, отобранного из верхнего и/или нижнего мест на варочном котле, и повторно вводится в сосуд через верхнюю секцию. На Фиг.1 главный компонент технологических трубопроводов, используемых в способе настоящего изобретения, показан пунктирными линиями.
Делается ссылка на Фиг.2, на которой схематически показан типичный варочный котел 50 непрерывного действия с двумя сосудами, подходящий для осуществления способа настоящего изобретения. Как показано на Фиг.2, варочный котел имеет вертикальный, в общем, цилиндрический первый сосуд и второй сосуд, где первый сосуд 80 имеет верхнюю подсистему 82 циркуляции, нижнюю подсистему 84 циркуляции и подпиточную систему 86 для варочного раствора, содержащую подпиточный насос 88. Упомянутый первый сосуд служит в качестве источника предварительно обработанной древесной щепы, смешанной с варочным раствором, который может поступать из любого одного или нескольких источников, таких как фильтрат 90 холодной сдувки и/или белый щелок 92. Древесная щепа предварительно обрабатывается в упомянутом первом сосуде и выгружается из нижней секции 94 первого сосуда, оттуда она передается как поток 96 в верхнюю секцию второго сосуда. По желанию, варочный раствор, отобранный из нижнего места 68 отбора на втором сосуде, может быть добавлен в поток, подаваемый во второй сосуд. На Фиг.2 главные компоненты технологических трубопроводов, используемых в способе настоящего изобретения, показаны пунктирными линиями.
Показанный варочный котел 50 содержит вертикальный, в общем, цилиндрический второй сосуд, имеющий верхнюю секцию 54, куда поступает поток смеси древесной щепы и щелочного варочного раствора 56, и нижнюю секцию 58, которая содержит узел 60 сдувки, через который поток 62 древесных волокон и использованного варочного раствора (целлюлоза) удаляется из сосуда; этот поток направляется в агрегат для промывки целлюлозы (не показан). Промывочный фильтрат из агрегата 64 для промывки целлюлозы, называемый в данной области техники фильтратом холодной сдувки, может быть охлажден и направлен в нижнюю секцию второго сосуда для охлаждения и промывки древесных волокон над узлом 60 сдувки. Этот фильтрат холодной сдувки также используется для рециркуляции в первый сосуд 80, или без дальнейшей обработки, или после смешивания с потоком белого щелока 92 для подачи в первый сосуд. В варианте осуществления, показанном на Фиг.2, между верхней и нижней секциями сосуда предусмотрены подсистема 66 циркуляции промывочного раствора, нижнее место 68 отбора и подсистема 70 подпиточной циркуляции. Верхнее место 72 отбора соединено с подсистемой подпиточной циркуляции.
ПРИМЕР I
Лучший вариант осуществления способа настоящего изобретения был применен на варочном котле, показанном на Фиг.1. В этом варочном котле непрерывного действия с одним сосудом варочный раствор с большим содержанием растворенного кальция - 40-120 частей на миллион - отбирается с первого ряда сетчатых фильтров верхнего варочного циркуляционного фильтра, установленного на расход с коэффициентом 0,10-0,50 (галлонов в минуту на каждую тонну продукта в сутки или ГВМ/ТВС). Например, для объема производства целлюлозы 750 тонн в сутки умножение 0,1-0,5 на 750 дает 75-350 галлонов в минуту (ГВМ). Смесь потоков фильтрата холодной сдувки и отобранного промывного раствора, сумма которых приблизительно равна потоку верхнего отбора при концентрации растворенного кальция меньше 40 частей на миллион, добавляется в верхнюю секцию варочного котла с помощью подпиточного насоса для варочного раствора. В данном примере до 45% общего растворенного кальция может быть удалено из системы варочного котла, что значительно снижает тенденцию образования накипи кальция на сетчатых фильтрах и нагревателях варочного котла.
ПРИМЕР II
В еще одном примере лучшего варианта осуществления способа настоящего изобретения используется варочный котел с одним сосудом, который показан на Фиг.1, варочный раствор с содержанием растворенного кальция приблизительно 100 частей на миллион отбирается с первого ряда сетчатых фильтров верхнего варочного циркуляционного фильтра, установленного на расход с коэффициентом 0,35 (галлонов в минуту на каждую тонну продукта в сутки или ГВМ/ТВС). Например, для объема производства целлюлозы 750 тонн в сутки расход отбора составляет 0,35 умножить на 750, т.е. приблизительно 262 галлона в минуту (ГВМ). Смесь потоков фильтрата холодной сдувки и отобранного промывного раствора, сумма которых приблизительно равна потоку верхнего отбора при концентрации растворенного кальция меньше 40 частей на миллион, добавляется в верхнюю секцию варочного котла с помощью подпиточного насоса для варочного раствора. В данном примере приблизительно до 35% общего растворенного кальция может быть удалено из системы варочного котла, что значительно снижает тенденцию образования накипи кальция на сетчатых фильтрах и нагревателях варочного котла.
ПРИМЕР III
В еще одном примере лучшего варианта осуществления способа настоящего изобретения используется варочный котел с одним сосудом, который показан на Фиг.1, варочный раствор с содержанием растворенного кальция приблизительно 100 частей на миллион отбирается с первого ряда сетчатых фильтров верхнего варочного циркуляционного фильтра, установленного на расход с коэффициентом 0,35 (галлонов в минуту на каждую тонну продукта в сутки или ГВМ/ТВС). Например, для объема производства целлюлозы 750 тонн в сутки расход отбора составляет 0,35 умножить на 750, т.е. приблизительно 262 галлона в минуту (ГВМ). Варочный раствор, отбираемый из системы циркуляции промывочного раствора приблизительно с тем же расходом, с концентрацией растворенного кальция меньше 40 частей на миллион добавляется на сторону всасывания насоса варочного раствора верхней системы циркуляции для замены отбираемого варочного раствора с большой концентрацией кальция, этим поддерживая гидравлический баланс в варочном котле. Верхняя система циркуляции в данном примере соединена с вторым (нижним) рядом верхнего варочного сетчатого фильтра. В данном примере больше 35% общего растворенного кальция может быть удалено из системы варочного котла, что значительно снижает тенденцию образования накипи кальция на сетчатых фильтрах и нагревателях варочного котла.
Способ настоящего изобретения может использоваться для целлюлозы из древесины как лиственных, так и хвойных пород.
В Таблице I приведены типичные диапазоны концентраций кальция в варочном растворе в разных местах варочного котла, показанных на Фиг.6.
Таблица I
Точка технологического процесса
Кальций (частей на миллион)
Белый щелок (БЩ)
10-30
Сосуд/зона пропитки (перед первой циркуляцией нагрева)
40-120
Между нагревом и максимальной температурой варки
20-60
Спустя более 60 минут после достижения
5-20
максимальной температуры варки
Фильтрат холодной сдувки (промывки)
10-40
Используя эти диапазоны концентраций кальция, специалист в данной области техники легко может определить оптимальные места, в которых варочный раствор может отбираться из варочного котла, и места, в которых подпиточный раствор с меньшей концентрацией кальция должен вводиться в варочный котел.
Поскольку концентрация кальция, растворенного в варочном растворе, может меняться в зависимости от исходной концентрации ионов карбоната, значительное количество варочного раствора должно извлекаться в той точке технологического процесса, где концентрация растворенного кальция достигает максимума. При какой температуре варки (соответствующей определенному месту в варочном котле) концентрация растворенного кальция доходит до максимума, зависит от концентрации карбоната в растворе. Чем выше исходная концентрация карбоната в растворе, тем раньше концентрация растворенного кальция достигает максимума в варочном котле.
С логической точки зрения предпочтительным местом в варочном котле для замены варочного раствора с высокой концентрацией растворенного кальция раствором с низкой концентрацией растворенного кальция является первый комплект циркуляционных варочных сетчатых фильтров в варочном котле непрерывного действия с одним сосудом. Аналогично этому, наиболее подходящим местом для замены отобранного варочного раствора с высокой концентрацией кальция раствором с низкой концентрацией кальция является линия перегрузки щепы (известная в данной области техники как нижняя циркуляция), ведущая в варочный котел (второй сосуд на Фиг.2), или первый комплект сетчатых фильтров сразу же после линии перегрузки в системе варочного котла непрерывного действия с двумя сосудами.
Альтернативно, (1) можно отобрать достаточное количество одного из технологических потоков в точке процесса в варочном котле непрерывного действия, которая расположена по меньшей мере на расстоянии нескольких минут от места достижения максимальной температуры варки, добавив этот технологический поток на раннем этапе варки, например, в систему подачи или нижней циркуляции, и отбирать оптимальное количество варочного раствора ниже по потоку от места добавления и выше по потоку от точки процесса, в которой достигается максимальная температура варки.
Кроме того, так же, как и пункте (1) выше, за тем исключением, что температура добавляемого технологического потока может регулироваться с помощью теплообменника с целью поддержания желательного профиля температур варки целлюлозы.
Далее, так же, как в пункте (1) выше, за тем исключением, что больше одного технологического потока можно отобрать в различных точках технологического процесса после достижения максимальной температуры варки и что температуру одного или нескольких технологических потоков можно регулировать с помощью одного или нескольких теплообменников.
Еще одно существенное преимущество, а именно повышенный максимальный устойчивый объем производства целлюлозы, достигается еще одним лучшим вариантом осуществления настоящего изобретения. Согласно этому варианту осуществления расход при верхнем отборе, описанном в Примерах I-III выше (и показанном на Фиг.3-5), регулируется так, чтобы быть значительно меньше расхода варочного раствора или смеси фильтрата холодной сдувки и варочного раствора с низкой концентрацией растворенного кальция, так что количество раствора (выраженного через расход) вокруг щепы в варочном котле и, отсюда, направленное вниз усилие, действующее на щепу, значительно увеличиваются. Это повышенное направленное вниз усилие, действующее на щепу, создает более стабильное движение колонны щепы и увеличивает максимальный устойчивый объем производства целлюлозы в варочном котле, если движение колонны является ограничивающим фактором для достижения более высокого максимального объема производства целлюлозы в варочном котле.
Специалистам в данной области техники будут очевидны и другие изменения в способе настоящего изобретения, и настоящее изобретение должно ограничиваться только прилагаемой к описанию формулой изобретения.