СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПРЯМОГО КОНТАКТА ГОРЯЧЕГО ЩЕЛОЧНОГО РАСТВОРА С ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПОЙ ПРИ ЦИРКУЛЯЦИОННОМ ПЕРЕНОСЕ
METHOD AND SYSTEM FOR DIRECT CONTACT OF HOT ALKALINE SOLUTION WITH WOOD CHIPS WHEN CIRCULATING TRANSFER

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение по существу относится к области химической обработки измельченных содержащих целлюлозу волокнистых материалов (далее в целом именуемых "щепа"). В частности, настоящее изобретение относится к нагреванию стружки в системе щелочной варки и к переработке черного щелока в системе, которая содержит пропиточный и варочный котлы.
Для производства пульпы в системе щелочной варки лигниновые связи между волокнами целлюлозы растворяют "варкой" древесной щепы (или другого содержащего целлюлозу волокнистого материала) в варочном сосуде, содержащем щепу и варочный щелок. Белым щелоком обычно называют исходные жидкости и варочные химикаты до их подачи во взвесь, содержащую стружку. Черный щелок, обычно образующийся во время процесса варки, является комбинацией остаточного лигнина с водой и химикатами, используемыми для варки щепы для формирования пульпы. Черный щелок извлекают из системы щелочной варки, например из варочного сосуда. Черный щелок можно вводить в процесс варки и удалять во время процесса варки.
На фиг.1 показана известная система 100 химической щелочной варки, в которой обрабатывается древесная щепа. Непрерывный поток древесной щепы транспортируется от системы подачи щепы (не показана) по линии 101 в пропиточный котел 102. В пропиточном котле 102 щепу предварительно обрабатывают варочным щелоком. Из пропиточного котла 102 щепа и щелок текут в форме суспензии по линии 106 в верхний впускной узел 103, например впускной сепаратор, химического варочного котла 104. Верхний сепаратор 103 в верхней внутренней области варочного котла 104 подает щепу во внутреннюю камеру варочного котла.
Когда щепа и щелок текут через верхний сепаратор 103, часть черного щелока извлекают из варочного котла через линию 108 циркуляции щелока. Извлеченный щелок из верхнего сепаратора течет через сцежу 110, которая направляет извлеченный щелок по линии 112 на узел 114 утилизации теплоты или в линию 116 циркуляции щелока.
Обычная линия 116 циркуляции щелока транспортирует часть, например 90% щелока, проходящего через сцежу, к выпускному отверстию щепы в нижней части пропиточного котла 102 или в линию 106 подачи взвеси. Для перемещения щелока по линии 116 и во взвесь щепы, текущей от пропиточного котла к варочному котлу, можно использовать насос 118. Извлеченный щелок в линии 116 добавляется к предварительно обработанной щепе, выгруженной из пропиточного котла и транспортируемой по линии 106 в варочный котел.
Извлеченный щелок вводится во взвесь щепы в линии 106 на дне пропиточного котла или рядом с ним для увеличения содержания щелока во взвеси для транспортировки по линии. Щелок из линии 116 вводят во взвесь щепы для уменьшения концентрации щепы во взвеси и облегчения транспортировки по линии 106 взвеси щепы. Взвесь течет от пропиточного котла по линии 106 к вершине варочного котла 104.
Обычно небольшая часть, например 10%, извлеченного щелока течет по линии 112 в систему 114 утилизации теплоты, например теплообменник. Температура извлеченного щелока, текущего через сцежу 110 и теплообменник, составляет, например, 110°С. Тепловую энергию из извлеченного щелока можно использовать в теплообменнике, например, для генерирования пара низкого давления, например 1 бар, для применения на заводе целлюлозы.
Концентрация L/W щелока (отношение щелока к щепе по весу) в пропиточном котле может составлять 2,5. В линии 106 подачи взвеси щепы концентрация щелока (L/W) увеличивается за счет добавления щелока (линия 116) к щепе на дне пропиточного котла или на начальном участке линии 106 подачи взвеси щепы. Добавление щелока и повышение L/W облегчает транспортировку щепы по линии 106. Когда взвесь входит в варочный котел 104, отношение щелока к щепе (L/W) уменьшают, например, извлекая щелок на верхнем сепараторе.
В варочном котле на щепу часто воздействуют теплотой. По существу варочный котел работает при более высокой температуре, чем пропиточный котел. Например, пропиточный котел может работать при температуре 110°С, а варочный котел может работать при температуре 140°С. Взвесь щепы попадает в верхний сепаратор при более низкой температуре, чем температура в варочном котле. Теплота, например, паром среднего давления по линии 134 подается в котел для повышения температуры щепы в варочном котле. Пар 146 среднего давления обычно находится под давлением 10-12 бар и имеет температуру 180-190°С. Температура варочного котла стремится быть наименьшей у верхнего впускного отверстия и постепенно повышается в направлении вниз.
Варочный котел 104 по существу содержит множество уровней сит, включая сита на верхних уровнях варочного котла (где "верхние" обозначает сита 120, 121, которые расположены над нижним уровнем сит 122). Сито(а) 122 (обычно именуемые промывочными ситами) на нижних уровнях варочного котла могут располагаться рядом с дном варочного котла, например в нижней трети или в нижней четверти варочного котла. Щелок извлекается через сито 120 верхнего уровня и подается по линии 124 в систему 114 утилизации теплоты. Щелок, подлежащий рециркуляции через варочный котел, извлекается ситом 121 верхнего уровня и подается в линию 126 рециркуляции щелока.
Другие источники щелока для рециркуляции в варочном котле могут включать промывочный щелок (W.L.) 140 и систему 142 холодной выдувки. Промывочный щелок 140, щелок 142 холодной выдувки и щелок, извлеченный из сита 121, соединяют в линии 126 и прокачивают насосом 127 в нагреватель 144. Щелок для рециркуляции нагревают в нагревателе 144, который использует источник пара 146 для получения тепловой энергии. Типично, циркулирующий щелок вновь вводят по линии 126 в котел на другом, например, более высоком уровне относительно того уровня, с которого щелок был извлечен.
Щелок, извлеченный ситами 122 нижнего уровня (нижних уровней), может подаваться в варочный котел на более высокий уровень или выводиться в систему утилизации теплоты. Щелок из сит 122 нижних уровней имеет более высокую температуру, например 140°С, чем щелок, извлеченный из верхнего сепаратора 103 (через линию 108), и щелок, извлеченный из сит 120 на верхних уровнях (по линиям 124, 126).
Горячий щелок (линия 128) из нижней части варочного котла по линии 132 насосом 130 возвращается в верхнюю часть варочного котла, без подогрева щелока. Под ситами нижних уровней и рядом с выходным отверстием для пульпы добавляют холодную выдувку, например охлажденный промывочный щелок, чтобы снизить температуру пульпы, выгружаемой из варочного котла по линии 145. Холодная выдувка подается от источника 142 охлаждающего щелока и проходит через холодильник 143 и линиям, чтобы направить холодную выдувку в нижнюю часть варочного котла.
По существу большая часть, например 70% щелока, извлеченного по линии 128 из сит 122 нижнего уровня, течет в систему 114 утилизации теплоты. Например, щелок, извлеченный в линии 128 из сит 122 нижних уровней, можно разделить так, чтобы первая часть, например 70-80% щелока, текла по линии 128 в систему 114 утилизации теплоты; вторая часть, например 10-18% щелока, прокачивалась насосом 130 в линию 126 для рециркуляции в верхнюю часть варочного котла, а третья часть, например 8-12% щелока, прокачивалась насосом 130 через линию 132 в линию 126 рециркуляции.
Избыток черного щелока, например отработанный щелок, извлекается из сит в варочном котле и не вводится повторно в котел или в линию 106 подачи взвеси щепы и протекает через систему 114 утилизации теплоты. Часть всех потоков избыточного щелока, например, от сцежи и верхнего и нижнего извлекающих сит течет через систему утилизации теплоты, где тепловая энергия от избыточного щелока преобразуется в пар, обычно пар низкого давления для других потребителей на предприятии. Пар низкого давления типично имеет давление 1 бар или менее при температуре приблизительно 100°С, например в диапазоне 90-110°С.
Для повышения температуры щепы в варочном котле в варочный котел через линию 136 подачи пара и нагреватель 144 часто подают пар 146 среднего давления. Этот пар среднего давления поступает при температуре 180-190°С и повышает температуру щепы в варочном котле для ускорения химических реакций варки, например разложения лигнина, который в щепе связывает волокна целлюлозы друг с другом. Для получения пара среднего давления требуется энергия. Кроме того, обычно нужны испарители, чтобы удалить конденсат, возникший из пара, введенного в варочный котел.
Уже давно имеется потребность сократить потребление энергии в системах щелочной варки, включая системы, имеющие пропиточный котел и варочный котел. В частности, уже давно имеется потребность ввода теплоты в щепу в варочном котле, что повышает энергетический к.п.д. системы щелочной варки и сокращает потребность в паре, поступающем от внешних источников, таких как парогенератор 146.
Краткое описание изобретения
Горячий черный щелок, извлеченный из самых нижних или нижних сит варочного котла, добавляют во взвесь щепы, транспортируемую из пропиточного котла в варочный котел. Горячий щелок подогревает взвесь щепы до того, как взвесь поступит в верхний сепаратор. Щепа поступает в варочный котел при более высокой температуре, чем если бы горячий черный щелок не добавлялся. Подогретая взвесь щепы в верхнем сепараторе сокращает количество тепловой энергии, подаваемой в варочный котел. Потребность варочного котла в энергии снижается, поскольку горячий черный щелок добавляется во взвесь щепы до попадания щепы в варочный котел.
Был разработан способ подогрева взвеси щепы в системе щелочной варки, содержащий пропиточный котел и котел химической варки, при котором: пропитывают щепу щелоком в пропиточном котле; транспортируют щепу из пропиточного котла на верхний уровень варочного котла; извлекают щелок из нижнего уровня варочного котла, где извлеченный щелок имеет температуру, существенно превышающую температуру щепы в пропиточном котле, и добавляют щелок, извлеченный из нижнего уровня варочного котла, в щепу, подлежащую транспортировке или транспортируемую из пропиточного котла в варочный котел.
Был разработан способ нагрева взвеси щепы в системе щелочной варки, содержащей пропиточный котел и котел химической варки, при котором: пропитывают щепу щелоком в пропиточном котле; транспортируют щепу из пропиточного котла в верхний сепаратор варочного котла; извлекают щелок из сита нижнего уровня варочного котла, где извлеченный щелок имеет температуру по меньшей мере на 20°С выше, чем температура щепы в пропиточном котле, и добавляют щелок, извлеченный из сита нижнего уровня варочного котла, в щепу, подлежащую транспортировке или транспортируемую из пропиточного котла в варочный котел.
Было разработано устройство для нагрева взвеси щепы в системе щелочной варки, содержащей пропиточный котел и котел химической варки, содержащее: трубопровод для транспортировки щепы из пропиточного котла в варочный котел, где щепа в трубопроводе для транспортировки щепы течет из пропиточного котла в варочный котел; сито нижнего уровня в варочном котле, где из сита нижнего уровня извлекают горячий щелок; и первый трубопровод щелока, проходящий от сита нижнего уровня до трубопровода для транспортировки щепы, где щелок, извлеченный из сита нижнего уровня, добавляют в трубопровод для транспортировки щепы.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 - схема известной системы химической щелочной варки щепы, содержащей пропиточный котел и котел химической варки.
Фиг.2 - схема системы химической щелочной варки щепы, содержащей пропиточный котел и котел химической варки, где горячий черный щелок, извлеченный из нижней части варочного котла, добавляют во взвесь щепы, текущую из пропиточного котла в варочный котел.
Подробное описание изобретения.
Были разработаны система и способ утилизации теплоты из избыточного черного щелока, извлеченного из нижних комплектов сит или из самого нижнего комплекта сит варочного котла (обычно именуемого промывочным ситом) для подогрева черного щелока в линии циркуляции взвеси щепы между верхней частью варочного котла и нижней частью пропиточного котла.
На фиг.2 приведена схема системы 10 химической щелочной варки щепы, содержащей пропиточный котел 12 и котел 14 для химической варки. Пропиточный котел через верхнее приемное отверстие 15 принимает подаваемый в него поток 23 щепы. Пропиточный котел 12 расположен перед варочным котлом 14 относительно направления потока щепы сквозь систему щелочной варки. В пропиточном котле щепа подвергается предварительной обработке варочным щелоком, находящимся в котле. Пропиточный котел является котлом предварительной обработки для котла химической варки.
Щепа и щелок (взвесь щепы) выгружаются из нижнего выпускного отверстия 16 пропиточного котла и текут по линии 16 циркуляции щепы в верхний сепаратор 20, расположенный в верхней части варочного котла. Когда взвесь щепы течет через верхний сепаратор, часть щелока извлекается через сита в верхнем сепараторе и вытекает из варочного котла через линию 21 циркуляции щелока.
Концентрация щелока (L/W) в пропиточном котле 12 может быть ниже, чем концентрация щелока в варочном котле. Концентрация щелока в транспортной системе (линия 18) повышает уровни концентрации L/W в пропиточном котле и в варочном котле для транспортировки щепы из пропиточного котла по линии 18 в варочный котел 14. В варочном котле щелок из входящего потока щепы (линия 18) извлекают из верхнего сепаратора 20 в линию 21 циркуляции щелока и направляют в сцежу 22. Извлечение щелока из верхнего сепаратора уменьшает отношение L/W (щелок/древесина) для щепы в варочном котле до уровня, который ниже уровня L/W в линии 18. Часть потока щелока, проходящего по линии 21 через сцежу 22, течет по линии 24 циркуляции щелока и возвращается в поток щепы, текущий от пропиточного котла в варочный котел. Щелок, возвращенный в линию 24 циркуляции, добавляется в нижнюю часть пропиточного котла или в начальный участок линии 18 циркуляции щепы. Насос 17 может принудительно прокачивать щелок через линию 24 во взвесь щепы в линии 18. Возвращенный щелок добавляется для увеличения доли щелока, например для повышении отношения L/W во взвеси щепы, текущей по линии 18 между пропиточным котлом и варочным котлом.
Вторая часть потока щелока, проходящего через сцежу 22, течет по линии 26 в систему 28 утилизации теплоты, например теплообменник. Объем второй части избыточного щелока, извлеченного из верхнего сепаратора, может составлять прибл. половину (1/2) от объема избыточного щелока, текущего через сцежу 22.
Относительно большая часть черного щелока, проходящего через сцежу 22 (например, половина щелока, проходящего через сцежу), направляется на теплообменник 28, по сравнению с той частью щелока, которая течет от сцежи в теплообменник в обычной системе, показанной на фиг.1. Относительно небольшая часть черного щелока, текущая через сцежу (например, половина щелока, текущего через сцежу), протекает по линии 24, где она смешивается с горячим черным щелоком (из линии 42) и вводится в линию 18 для взвеси щепы. Та часть, проходящая через сцежу, которая направляется в линию 18 транспортировки щепы, может изменяться в зависимости от того, какое количество щелока необходимо в линии 18 транспортировки щепы, и направляется на утилизацию теплоты.
Щепа и варочный щелок, загруженные в варочный котел из верхнего сепаратора 20, текут вниз через варочный котел 14. Сита 30, 31, 32 на разных уровнях варочного котла извлекают черный щелок из древесной массы, находящейся в котле. Сита являются обычными и хорошо известными в области химической щелочной варки. Извлечение и циркуляция щелока из верхних сит 30 и 31 происходит в обычном порядке и, например, аналогично извлечению и циркуляции, показанным на фиг.1 для сит 120, 121. Черный щелок, извлеченный из сит 30, расположенных на верхних уровнях варочного котла, может течь в систему 28 утилизации теплоты по линии 34 щелока. Щелок из рециркуляционных сит 31 на верхних уровнях также может циркулировать в верхнюю часть 38 котла, например в верхний сепаратор, по линии 36 циркуляции щелока. Кроме того, белый щелок (W.L.) 52 можно добавлять в линию (линии) 50 циркуляции щелока, чтобы обеспечить достаточное количество щелока в верхней части варочного котла.
Нижнее сито (сита) 32, например промывочные сита, в варочном котле 14 обеспечивают существенный поток извлеченного горячего черного щелока. Нижние сита могут находиться в нижней трети или четверти высоты варочного котла. Например, количество извлеченного черного щелока на нижнем сите (ситах) для линии 21 взвеси щепы может быть в три - четыре раза выше количества черного щелока, текущего от нижнего сита на верхний сепаратор и в линию 21. Часть черного щелока от нижнего сита, например 25%, может течь в верхние части варочного котла по линиям 48 и 50.
Горячий черный щелок, извлеченный из нижнего сита (сит) 32, извлекается через линии 40 промывки щелока. Часть, например 70-80% извлеченного горячего щелока течет из линии 40 в линию 42, которая транспортирует горячий щелок во взвесь щепы, текущую из пропиточного котла 12 в варочный котел 14 по линии 18 циркуляции щепы. Насос 41 может повышать давление горячего черного щелока до давления, существующего в линиях 24 или в линии 18. Смешанные потоки черного щелока добавляют в линию (трубопровод) 24 для транспортировки щепы рядом с пропиточным котлом и/или в начале транспортировки щепы.
Из черного щелока, извлеченного из промывочных сит 32 (линия 40), приблизительно 30-80%, более предпочтительно 50-70% и наиболее предпочтительно 70-75% черного щелока направляют в линию циркуляции между верхней частью варочного котла и нижней частью пропиточного котла, расположенного ниже по потоку от сцежи.
Температура черного щелока, извлеченного из нижнего сита (сит) 32, обычно выше, чем температура черного щелока, извлеченного из верхнего сепаратора в линии 21 и 24. Например, температура черного щелока, извлеченного из нижнего сита (сит) 32, обычно составляет 140°С, а температура черного щелока, извлеченного из верхнего сепаратора, стремится к приблизительно 110°С.
Под ситами нижних уровней и рядом с выпускным отверстием для пульпы добавляют холодную выдувку, т.е. охлажденный промывочный щелок, чтобы снизить температуру пульпы, выходящей из варочного котла по линии 145. Холодная выдувка поступает от источника 142 охлаждающего щелока и проходит через холодильник 143 и по линиям, направляющим холодную выдувку в нижнюю часть варочного котла.
Горячий черный щелок можно добавлять в линию 24, чтобы горячий он смешивался со щелоком от верхнего сепаратора до того, как смешанные потоки щелока будут добавлены в трубопровод 18 транспортировки щепы. Температура смешанного щелока в линии 24 существенно выше, например по меньшей мере на 20°С выше, чем температура взвеси щепы в пропиточном котле 12.
Горячий щелок из линии 24 и насоса 17 нагревает щепу в линии 18. Повышенная температура щепы в линии 18 снижает потребность в энергии, необходимой для нагрева щепы в варочном котле. Горячий черный щелок из нижнего сита (сит) 32 используется для повышения температуры щепы до температуры варки или в сторону температуры варки. Благодаря уменьшенной потребности в тепловой энергии можно уменьшить количество пара 44 среднего давления, подаваемого по паропроводу 46 в верхнюю часть варочного котла. Паром среднего давления обычно является пар с давлением 10-12 бар и с температурой 180-190°С.
Горячий черный щелок из трубопровода 42 с факультативным насосом 41 добавляют под давлением в щелок, текущий по линии 24 так, что практически не происходит быстрого вскипания, т.е. испарения. Смесь черного щелока в трубопроводе 24 прокачивается насосом 17 под давлением в трубопровод 18 транспортировки щепы и предпочтительно без быстрого вскипания щелока.
Щелок, добавленный в трубопровод 18 транспортировки щепы, увеличивает соотношение щелока к древесине (L/W) в трубопроводе 18. Отношение L/W в пропиточном котле 12 и в варочном котле 14 обычно ниже, чем отношение L/W в трубопроводе 18, поскольку в этот трубопровод добавлен щелок, извлеченный из верхнего сепаратора.
Используя щелок, например промывочный щелок по линии 40, для нагрева взвеси щепы в линии 24, можно существенно сократить количество пара среднего давления, подаваемого в верхнюю часть варочного котла, например такое сокращение может составить приблизительно 40%. Уменьшение количества пара среднего давления, необходимого для нагрева щепы в верхней части варочного котла, приводит к соответствующему уменьшению энергетических затрат процесса щелочной варки. Далее уменьшение количества пара среднего давления, подаваемого в варочный котел, также уменьшает количество водяного конденсата в варочном котле и, следовательно, уменьшает потребность в работе испарителя.
Хотя изобретение было описано со ссылками на вариант, который в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанным вариантом и охватывает различные варианты и эквивалентные конструкции, включенные в объем, определяемый приложенной формулой.