НАГРЕВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВАРОЧНЫХ КОТЛОВ
HEATING OF HYDRAULIC DIGESTERS

Данное изобретение относится к способу получения целлюлозы на стадии пропиткии стадии варки с использованием гидравлического варочного котла, в частности, однососудного варочного котла. Изобретение относится также к системе варочного котла и к инжектору пара.
Варочные котлы непрерывного действия широко используются для получения целлюлозы. Имеются по существу два главных типа варочных котлов непрерывного действия: гидравлические варочные котлы и парофазные варочные котлы. Гидравлический варочный котел представляет собой сосуд, устойчивый к давлению, который полностью заполнен измельченным целлюлозным волокнистым материалом и жидкостью; любое введение или удаление жидкости из сосуда воздействует на давление обычно выше атмосферного в сосуде. Парофазный варочный котел не заполнен полностью жидкостью, но содержит секцию в верхней части, содержащую   пар с давлением выше атмосферного. Т.к. указанная газовая зона является сжимаемой по сравнению с жидкой зоной ниже нее, давление в парофазном варочном котле обычно определяется давлением газа, присутствующего в верхней части варочного котла. Реакция пульпообразующих химических веществ с измельченным целлюлозным волокнистым материалом для получения целлюлозы требует температур в интервале 140-180°C. Поскольку при атмосферных условиях водные химические вещества, используемые для обработки материала, будут кипеть при таких температурах, промышленная варка целлюлозы обычно осуществляется в сосуде, устойчивом к давлению, при давлениях, по меньшей мере, калибра около 5 бар (500 кПа).
Одним принципиальным различием способа работы указанных двух типов варочных котлов является способ, которым содержимое варочных котлов нагревается до желаемых 140-180°C. В парофазном варочном котле щепа обычно нагревается при обработке щепы   паром. Нагревание   паром обычно осуществляется, когда щепа вводится в заполненную   паром зону в верхней части варочного котла. В гидравлическом варочном котле суспензия измельченного целлюлозного волокнистого материала, обычно древесной щепы, и варочного щелока обычно нагревается с помощью циркуляции нагретой жидкости, т.е. одного или более рециркуляционных контуров. Жидкость обычно удаляется из варочного котла, например, при использовании узла кольцевого экрана и насоса, нагретых паром с помощью непрямого теплообменника и повторно введенного материала в сосуд с использованием центрально расположенной трубы. Нельзя вводить прямой   пар в верхнюю часть гидравлического варочного котла, поскольку конденсация пара в щелок будет вызывать соударение, и в худшем случае это может вызвать трещины в оболочке варочного котла. В некоторых случаях линия пара соединяется с верхней частью гидравлического варочного котла, но целью указанного пара является набивка незаполненного варочного котла щепой и щелоком перед остановкой, не используя его для нагревания в процессе обычной работы.
Кроме того, щепа вводится в варочные котлы с использованием различных механических устройств. Древесную щепу или другой измельченный целлюлозный волокнистый материал обычно подают на впуск варочного котла непрерывного действия с использованием отдельной подающей системы. Подающая система обычно содержит оборудование для деаэрации, нагревания, опрессовывания и введения варочного щелока в щепу перед перегрузкой суспензии щепы и щелока в варочный котел. В случае гидравлического варочного котла суспензия щепы и щелока вводится в направленный вниз конвейер шнекового типа в верхней части варочного котла, известный в технике как «верхний сепаратор».
Системы подачи щепы варочных котлов могут быть разделены на два класса. Системы, которые имеют только атмосферную пропарку для нагрева щепы и удаления воздуха из щепы, и системы, которые имеют как атмосферную, так и опрессованную пропарку. Если имеется только атмосферная пропарка, температурный уровень в подающей системе обычно составляет около 100°C. Если имеется также опрессованная пропарка, где давление обычно составляет на 0,7-1,5 бар (70-150 кПа) выше атмосферного давления, температурный уровень обычно составляет от 115 до 125°С. Отсутствует дополнительный нагрев между подающей системой и верхней частью однососудного гидравлического варочного котла, и температура в зоне пропитки в верхней части находится на таком же уровне, как в подающей системе. Температура варки в варочной зоне обычно находится в интервале от 140°C до 180°C. Так что имеется большой температурный перепад между температурой зоны пропитки в верхней части однососудного гидравлического варочного котла и варочной зоной. Благодаря большому температурному перепаду может быть трудно нагревать щепу и щелок равномерно варочными циркуляциями. Если нагреве является неравномерным, часть щепы не варится так много, как другие, и качество пульпы является неравномерным, и может иметься много несваренного материала в пульпе. Чем больше температурный перепад между зоной пропитки в верхней части и варочной зоной, тем более трудно достигнуть результата равномерного нагрева. Плотность горячего щелока является ниже плотности холодного щелока. Если разность плотности между горячими щелоками варочной зоны и холодными щелоками зоны пропитки является слишком большой, горячий щелок начинает направляться по каналам в верхнюю часть варочного котла, а холодные щелоки начинают направляться по каналам в варочную зону, вызывая сильные нарушения процесса варки. Так что было бы предпочтительно быть способным увеличить температуру зоны пропитки гидравлического варочного котла, такого как однососудный гидравлический варочный котел, особенно в случаях, когда имеется только атмосферная пропарка в подающей системе, и температурный перепад является высоким.
WO94/23120 описывает способ, в котором пропаренная щепа, поступившая в относительно холодный щелок (при примерно 116°C), подается в верхнюю часть варочного котла. Холодный щелок отделяется от щепы в отдельно установленном сепараторе/теплообменнике жидкости (таком как обратный верхний сепаратор) снаружи варочного котла и заменяется горячим варочным щелоком (например, при 143°C). Щепа, поступившая в варочный щелок при температуре варки, подается в верхнюю часть варочного котла. Данный способ требует свободно установленного теплообменника жидкости. Кроме того, он не решает проблему, вызванную высоким перепадом температуры в однососудном варочном котле, имеющем зону пропитки. Подобный способ рассмотрен в US5658428, но холодный щелок заменяется горячим пропиточным щелоком в теплообменнике жидкости снаружи варочного котла.
Целью нового способа является создание улучшенного способа непрерывной варки в гидравлическом варочном котле, таком как однососудный гидравлический варочный котел, так что суспензия щепы может быть равномерно нагрета в варочном котле.
Для достижения указанных целей настоящее изобретение относится к способу получения целлюлозы на стадии пропитки и стадии варки с использованием гидравлического варочного котла, имеющего верхний сепаратор, уровень щепы и жидкую фазу выше уровня щепы, причем указанный способ имеет характеристики пункта 1 формулы изобретения. Верхний сепаратор представляет собой сепаратор твердый материал/жидкость в верхней части варочного котла. Он имеет цилиндрический экран, окружающий шнековый конвейер.
Настоящее изобретение относится также к системе варочного котла по п. 5 формулы изобретения и к инжектору пара по п. 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты изобретения рассматриваются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Неожиданно было установлено, что прямой   пар может быть безопасно подан в фазу щелока выше уровня щепы в верхней части однососудного гидравлического варочного котла при использовании одного или более инжекторов пара. В указанных инжекторах поток пара разделяется на мелкие пузырьки, и конденсация мелких пузырьков не вызывает соударения или риски разрушения гидравлически заполненного варочного сосуда.
В новом способе прямой   пар вводится в фазу щелока выше уровня щепы в верхней части однососудного гидравлического варочного котла с помощью одного или более инжекторов пара с увеличением температуры зоны пропитки. Увеличение температуры может составлять от 1 до 40°C, предпочтительно, от 5 до 30°C. Увеличение температуры должно быть значительным для достижения значительных выигрышей. С другой стороны, слишком высокое увеличение может не быть хорошим, поскольку оно является более экономичным для нагревания непрямым   паром в нагревателях с циркуляцией щелока варочного котла и собирает конденсат пара, чем с прямым паром. Кроме того, чрезвычайно высокая температура пропитки может вызвать вредные воздействия на качество целлюлозы. Особенно предпочтительно использовать новый способ, когда имеется стадия неопрессованной пропарки или стадия слегка опрессованной пропарки (давление ниже 0,5 бар (50 кПа) в системе подачи щепы гидравлического варочного котла, и температура суспензии щепы составляет 110°C или ниже. Это значит, что температура зоны пропитки будет ниже примерно 110°C без дополнительного нагрева в соответствии с новым способом.
пар подается посредством инжектора пара, который расположен в стенке верхней части варочного котла. Инжектор пара содержит трубу, которая идет внутрь варочного котла, и которая соединяется с источником пара, расположенным снаружи варочного котла. Длина трубы внутри варочного котла составляет 150-2500 миллиметров (мм), обычно 200-600мм. Труба имеет множество отверстий для выпуска пара в фазу щелока выше уровня щепы. Обычно отверстиями являются круглые небольшие отверстия, имеющие диаметр 0,1-15мм, предпочтительно, 1,5-5,0мм. Отверстия могут быть конфигурированы обычно как круглые отверстия, но также как щели или прорези. Термин «отверстие» поэтому не дается в каком-либо ограничительном значении, но должен охватывать все сквозные отверстия, прорези и т.д. несмотря на форму.
Отверстия, обычно сотни малых отверстий, распределяются по окружности и длине стенки трубы в качестве непрерывной зоны или в качестве отдельных зон. Отдельные зоны могут быть расположены отстоящими по длине и окружности трубы. Число отверстий зависит от потока пара, необходимого для нагрева суспензии щепы, и, таким образом, зона или зоны могут охватывать адекватную часть (части) стенки трубы. Некоторые части стенки трубы могут быть неперфорированными. Например, конец трубы и/или часть, ближайшая к стенке варочного котла, могут быть неперфорированными, тогда как промежуточная часть является перфорированной частично или полностью.
Может иметься более одной трубы (инжекторов), расположенных по окружности стенки варочного котла, так что трубы могут равномерно или неравномерно отстоять друг от друга. Расстояние между трубами может зависеть, например, от конструкции верхней части варочного котла.
Согласно одному аспекту новой системы поток пара из отверстий пара может быть направлен радиально и/или по окружности в варочном котле. Поток пара в круговом направлении может интенсивно передавать тепло жидкой фазе.
Выпуск пара через достаточно малые отверстия дает небольшие пузырьки. Когда пузырьки конденсированного пара являются небольшими, уровень вибрации будет значительно меньше, и соударения удается избежать.
Краткое описание чертежей
На фигурах 1 и 2 показаны верхние секции двух традиционных варочных котлов непрерывного действия. Верхняя часть парофазного варочного котла 10 показана на фигуре 1; гидравлического варочного котла 20 показана на фигуре 2. На фигуре 3 представлен вид, подобный виду на фигурах 1 и 2, типичного впуска и верхней секции варочного котла согласно настоящему изобретению. На фигурах 4а и 4b показаны варианты инжектора пара, и на фигуре 5 показаны местоположения инжекторов пара в стенке варочного котла.
Варочные котлы на фигурах 1 и 2 обычно получают суспензию измельченного целлюлозного волокнистого материала, обычно древесной щепы, в варочном щелоке, таком как белый крафт-щелок. Суспензия обычно сначала обрабатывается в подающей системе. В парофазный варочный котел с фигуры 1 обычно подается суспензия щепы и щелока по трубопроводу 11. Суспензия вводится в варочный котел с использованием традиционного вертикально ориентированного шнекового конвейера 12, известного в технике как «обратный верхний сепаратор». Суспензия транспортируется вверх в сепаратор 12, а щепа и щелок выгружаются из верхней части сепаратора 12, как показано стрелками 13. Когда суспензия транспортируется вверх, избыточный щелок удаляется из суспензии с использованием цилиндрического экрана 14 и возвращается в подающую систему по трубопроводу 15. Щепа и щелок 13, выгруженные из сепаратора 12, падают через газонаполненную зону 16 на штабель 17 щепы. Для того, чтобы продолжать нагрев щепы   паром, уровень штабеля 17 щепы поддерживается выше уровня варочного щелока 18, как видно на фигуре 1. После нагрева   паром щепа погружается в варочный щелок, проходя ниже уровня жидкости, показанного цифрой 18 на фигуре 1, и процесс варки продолжается. Для того, чтобы улучшить распределение тепла по колонне щепы и штабелю 17 щепы, парофазный варочный котел 10 обычно также содержит экран 19 удаления щелока и циркуляцию 21 для отвода щелока радиально наружу, удаляя его и возвращая его через центрально расположенную трубу 24 в колонну щепы. Циркуляция 21 обычно включает насос 25 и может включать нагреватель 25ʹ щелока. Экран 19 удаления щелока и связанная циркуляция 21 (включающая насос 25 и трубу 24) называются в технике как «трим-циркуляция». Ниже экрана 19 трим-циркуляции с более однородным распределением тепла и химических веществ способ варки продолжается. Избыточное давление, например, давление, вводимое газами, введенными с поступающей суспензией щепы, обычно сбрасывается с использованием традиционного устройства рельефа давления, показанного схематически под цифрой 28 на фигуре 1. Температура в зоне 16 регулируется и контролируется введением опрессованного пара по трубопроводу 22 от источника 23 пара.
Подобно парофазному варочному котлу 10 с фигуры 1 традиционный гидравлический варочный котел 20 с фигуры 2 получает суспензию щепы и щелока от подающей системы по трубопроводу 60. Суспензия вводится в варочный котел 20 традиционным «верхним сепаратором» 61, которым является направленный вниз шнековый конвейер. Щелок, вводимый сепаратором 61, показан двойной стрелкой 62, щепа - одинарной стрелкой 63. Когда суспензия транспортируется вниз конвейером 61, избыточный щелок удаляется из суспензии через цилиндрический экран 64 и возвращается в подающую систему (например, питатель высокого давления) по трубопроводу 65. Щепа, введенная сепаратором 61, определяет уровень 66 щепы. Поскольку варочный котел 20 заполняется гидравлически, зона 67 выше уровня 66 щепы заполнена жидкостью, так что газообразная зона обычно не существует.
На фигуре 2 щепа наверху штабеля 66 обычно не нагревается до температуры полной варки, но обрабатывается в зоне пропитки, где температура обычно находится на том же уровне, как температура в подающей системе. Затем щепа может быть нагрета до начала варки. Это обычно выполняется с использованием одного или более нагретых циркуляционных контуров 70 варки. Нагревание может быть осуществлено прямоточно или противоточно; циркуляционный контур 70, показанный на фигуре 2, нагревает щепу противоточно. Суспензия сначала проходит щелокудаляющий (выводящий) экран 71, который удаляет щелок из суспензии через трубопровод 78. Щелок, удаленный по трубопроводу 78, может быть направлен на извлечение химических веществ. Указанный удаленный щелок отводит свободный щелок, показанный двойной стрелкой 76, противоточно проходит идущую вниз щепу, показанную одинарной стрелкой 77. Нагретый щелок 76 получают от циркуляции 70. Щелок сначала удаляется из суспензии с помощью экрана 72 посредством трубопровода 73 и насоса 79, нагревается в непрямом нагревателе 74 пара (например, до температуры 140-170°C) и возвращается вблизи экрана 72 по центрально расположенному возвратному трубопроводу 75. Варочный щелок, например, белый крафт-щелок, обычно вводится в указанную циркуляцию. После нагревания до температуры варки в циркуляции 70 суспензия может быть сварена и иным образом дополнительно обработана ниже экрана 72.
Температура в зоне пропитки составляет обычно 100-120°C. Температура варки в варочной зоне обычно находится в интервале от 140 до 180°C. Так что имеется большой температурный перепад между температурой зоны пропитки в верхней части однососудного гидравлического варочного котла и температурой варочной зоны. Благодаря большому температурному перепаду может быть трудно нагреть щепу и щелок равномерно циркуляциями варки. Если нагрев является неравномерным, часть щепы варится меньше, чем другие, и качество целлюлозы является неравномерным. Это может дать в результате большое количество несваренного материала в пульпе. Чем больше температурный перепад между зоной пропитки в верхней части и варочной зоной, тем более трудно достигнуть в результате равномерный нагрев.
Это может быть решено новым способом, представленным здесь. На фигуре 3 показана система, которая может быть использована для реализации нового способа.
Подобно фигуре 2 традиционный гидравлический варочный котел 68 на фигуре 3 получает суспензию щепы и щелока от подающей системы (не показано) по трубопроводу 60ʹ. Подающая система может быть неопрессованной или слегка опрессованной, и температура суспензии составляет около 110°C или ниже. Суспензия вводится в варочный котел 68 традиционным «верхним сепаратором» 61ʹ, которым является направленный вниз шнековый конвейер. Щелок, вводимый сепаратором 61ʹ, показан стрелкой 62ʹ, щепа - стрелкой 63ʹ. Когда суспензия транспортируется вниз конвейером 61ʹ, избыточный щелок удаляется из суспензии через цилиндрический экран 64ʹ и возвращается в подающую систему (например, питатель высокого давления или насосы) по трубопроводу 65. Щепа, введенная сепаратором 81ʹ, определяет уровень 66ʹ щепы. Поскольку варочный котел 20 заполняется гидравлически, зона 67ʹ, т.е. жидкая фаза, выше уровня 66ʹ щепы заполнена жидкостью, так что газообразная зона обычно не существует.
Стенка 43 варочного котла, имеющая непрерывно изогнутое поперечное сечение, обеспечена инжекторами 40 пара, которые содержат трубы 41, идущие внутрь варочного котла 68 через стенку. Трубы соединены с источником пара (не показано) для подведения пара (стрелка 42) в варочный котел. Длина трубы 41 внутри варочного котла может составлять 150-2500мм, обычно 200-600мм. Трубы расположены выше уровня 66ʹ щепы и ниже нижнего края верхнего сепаратора 61ʹ, так что   пар направляется в жидкую фазу 67'. Трубы обычно расположены на 0,1-5,0м ниже верхнего сепаратора 61ʹ в вертикальном направлении. Когда подается   пар, увеличение температуры может составлять от 1 до 40°C, предпочтительно, от 5 до 30°C.
Труба 41 имеет множество отверстий 50 (фигуры 4а и 4b) для выпуска пара в фазу 67ʹ щелока выше уровня 66ʹ щепы. Обычно отверстиями являются круглые малые отверстия, имеющие диаметр (D) 0,1-15мм, предпочтительно, 1,5-5,0мм. Отверстия могут быть конфигурированы обычно как круглые отверстия, но также как щели или прорези. Термин «отверстие» поэтому не должен иметь какое-либо ограничивающее значение, но должен охватывать все сквозные отверстия, прорези и т.д. несмотря на форму.
Отверстия 50, обычно сотни малых отверстий, распределяются по окружности и длине стенки 52 трубы в качестве непрерывной зоны 51 или в качестве отдельных зон. Отдельные зоны могут быть расположены отстоящими по длине и окружности трубы. Число отверстий 50 зависит от потока пара, необходимого для нагрева суспензии щепы, и, таким образом, зона или зоны могут охватывать адекватную часть (части) стенки трубы. Некоторые части стенки трубы могут быть неперфорированными. Например, конец 53 трубы и/или часть 54, ближайшая к стенке варочного котла, могут быть неперфорированными, тогда как промежуточная часть 55 является перфорированной частично или полностью.
На фигуре 5 показано, что может иметься более одного инжектора 40 (труб 41), расположенных по окружности стенки 43 варочного котла, так что трубы 41 могут одинаково или неодинаково отстоять друг от друга. Расстояние между трубами может зависеть, например, от конструкции верхней части варочного котла.
Как показано на фигуре 5, поток пара из отверстий 50 пара направляется радиально (стрелка 57) и/или по окружности (стрелка 56) в варочный котел. Поток пара в направлении по окружности может интенсифицировать теплопередачу в жидкую фазу. Направление потока пара может быть определено местоположением перфорированных или неперфорированных зон в стенке трубы.
Из этого следует, что введение прямого пара с помощью инжекторов пара решает главную проблему с точки зрения работы гидравлического варочного котла. Указанной проблемой является слишком большой температурный перепад между зонами пропитки и варки. Все гидравлические варочные котлы будут иметь выгоду от введения пара, особенно гидравлические варочные котлы, в которых температура зоны пропитки составляет только около 100°C.
Хотя выше описаны только некоторые предпочтительные варианты способа согласно настоящему изобретению, изобретение охватывает все такие модификации и варианты, которые входят в объем, определяемый в формуле изобретения.