СИСТЕМА ПОДАЧИ ДЛЯ ВАРОЧНОГО КОТЛА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ОТДЕЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ
CONTINUOUS-ACTION BOILING PAN FEED SYSTEM WITH SEPARATE FLOWS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе подачи для варочного котла непрерывного действия, в котором осуществляется варка древесных стружек с целью получения целлюлозной массы в соответствии с вводной частью пункта 1 формула изобретения.
Уровень техники
В более старых традиционных системах подачи для варочных котлов непрерывного действия в качестве шлюзовых питателей для повышения давления и транспортировки стружечной массы в верхнюю часть варочного котла до сих пор использовались звездчатые дозаторы.
В книге «Handbook of Pulp» (Herbert Sixta, 2006) на стр. 381 описан такой тип подачи при помощи звездчатых дозаторов высокого давления (High Pressure Feeder). Большим преимуществом подачи такого типа является то, что поток стружек не должен проходить через насосы, вместо этого, он перемещается гидравлически. В то же время, возможно поддерживать высокое давление в транспортном контуре циркуляции в варочный котел и из него без потери давления. Однако это устройство имеет некоторые недостатки, заключающиеся в том, что звездчатый дозатор высокого давления подвержен износу и подлежит регулировке с тем, чтобы свести к минимуму расход утечки из контура циркуляции высокого давления в контур циркуляции низкого давления. Другим недостатком является то, что во время транспортировки необходимо поддерживать низкую температуру, чтобы избежать ударов от схлопывания пузырьков пара.
Еще в 1957 г. в патенте US 2803540 была описана система подачи для варочных котлов непрерывного действия для варки стружечной массы, в которой стружки закачивают из пропиточного резервуара в варочный котел, в котором стружки подвергали варке в атмосфере пара. В этом случае часть варочного раствора направляют в насос для достижения перекачиваемой консистенции на уровне 10%. Однако этот варочный котел предназначался для мелкомасштабного производства в пределах 150-300 тонн целлюлозной массы в день (см. кол.7, строка.35).
Кроме того, в патенте US 2876098 от 1959 г. описана система подачи для варочного котла непрерывного действия без звездчатого дозатора высокого давления. В этом случае стружечную массу сначала суспендируют в мешалке, затем подают насосом в верхнюю часть варочного котла. Под варочным котлом расположен насосный блок, вал насоса снабжен турбиной, в которой срабатывают давление сжатого черного щелока с целью снижения потребляемой насосом энергии.
В патенте US 3303088 от 1967 г. также описана система подачи для варочного котла непрерывного действия для варки стружечной массы без звездчатого дозатора высокого давления, где стружки сначала пропаривают в пропарочном резервуаре, затем суспендируют в другом резервуаре, после чего стружечную суспензию насосом подают в верхнюю часть варочного котла.
В патенте US 3586600 от 1971 г. описана другая система подачи для варочного котла непрерывного действия, предназначенная для более мелкой древесины. В этом случае также не используется барабанный питатель высокого давления, и древесину подают насосом 26 через расположенный выше по потоку пропиточный резервуар в верхнюю часть варочного котла.
Аналогичная подача насосом более мелкой древесины в верхнюю часть варочного котла непрерывного действия также описана в EP 157279.
Типичным для этих вариантов осуществления варочного отдела с начала 50-х до начала 70-х годов является то, что они предназначены для небольшого предприятия с ограниченной производительностью, примерно, 100-300 тонн целлюлозной массы в день.
В патенте US 5744004 показан вариант системы подачи деревянных стружек в варочный котел, где стружечную смесь подают в варочный котел через серию насосов. В этом случае используют так называемые насосы DISCFLO™. Недостатком этой системы является то, что этому типу насоса свойственна низкая эффективность.
В ранее упоминаемом издании «Handbook of Pulp» на стр. 382 также описана альтернативная система насосной подачи стружечных смесей, именуемая TurboFeed™. В этом случае для подачи стружечной смеси в варочный котел используется три насоса, установленных последовательно. Этот тип подачи также был запатентован в патентах US 5753075, 6106668, 6325890, 6336993 и 6551462, однако, во многих случаях патент US 3303088, например, не был принят во внимание.
Патент US 5753075 относится к подаче насосом из пропарочного резервуара в технологический резервуар.
Патент US 6106668 относится, в особенности, к введению варочных добавок AQ/PS (антрахинон/полисульфид) в ходе перекачивания насосом.
Патент US 6325890 относится по меньшей мере к двум насосам, установленным последовательно, и расположению этих насосов на уровне земли.
Патент US 6336993 относится к частному решению, в котором вводят химикаты, предназначенные для растворения металлов в древесных стружках и затем после каждого насоса отводят щелок с целью снижения содержания металлов в перекачиваемых насосом стружках.
Патент US 6551462 относится по существу к такой же системе, как уже описана в патенте US 3303088.
Существенным недостатком таких систем с несколькими установленными последовательно насосами является ограниченная доступность для ремонта. Если один насос выходит из строя, останавливается вся система варочного котла. С тремя последовательно установленными насосами и стандартной доступностью для ремонта каждого насоса 0,95 общая доступность для ремонта всей установки составляет только 0,86 (0,95*0,95*0,95=0,86).
В современных варочных отделах с производительностью более 4000 тонн целлюлозной массы в день используются варочные котлы высотой 50-75 м, в которых избыточное давление в верхней части варочного котла составляет 3-8 бар, если это парофазный варочный котел, или 5-20 бар, если это гидравлический варочный котел. Системы варочных котлов непрерывного действия предназначены, на протяжении основного периода функционирования, обычно, значительно больше, чем 80-95% времени функционирования, для работы при номинальном объеме выпуска, что с точки зрения эксплуатационных затрат делает необходимым оптимизировать насосы в соответствии с номинальным объемом выпуска.
В типичной системе варочного котла с производительностью, примерно, 3000 тонн и системой подачи по так называемой технологии TurboFeed™ на работу насосов расходуется 800 кВт. Очевидно, что в таких установках насосы должны работать с оптимизированной эффективностью, близкой к их номинальной производительности. Такая система подачи потребляет 19200 кВт(800*24) за 24 часа, и при стоимости 50 евро за мегаватт-час эксплуатационные затраты доходят до 960 евро за 24 часа или 336000 евро в год.
Такие системы также должны быть пригодны для эксплуатации при 50-110% номинального объема выпуска, что предъявляет серьезные требования к системе подачи.
Это означает, что поставщик системы должен предложить насосы, которые достаточно крупногабаритные и могут перекачивать 4000 тонн, но также пригодны для эксплуатации в интервале 2000-4400 тонн. Такой насос, эксплуатируемый при 50% его производительности, работает в далеком от оптимального режиме, однако необходимо, чтобы он по меньшей мере временно мог работать при ограниченной производительности на случай временных перебоев, например, далее в линии обработки волокон.
Если поставщик такой установки предлагает системы варочных котлов с номинальной производительностью 500-5000 тонн, то в них должны быть предусмотрены насосы нескольких различных типоразмеров с тем, чтобы каждая отдельная система могла обеспечить оптимальную с точки зрения энергопотребления и энергетических перспектив транспортировку при номинальном объеме выпуска. Это делает насосы очень дорогостоящими, так как обычно производится очень ограниченная партия насосов каждого типоразмера. Чтобы удовлетворять требованиям приемлемо краткого срока поставки, поставщик системы должен иметь на складе насосы всех типоразмеров, что очень дорого.
Система подачи варочного котла также должна гарантированно обеспечивать оптимальную подачу в верхнюю часть варочного котла, даже если поток в транспортной линии снижен до 50% номинального.
Это трудно, поскольку в транспортной линии необходимо поддерживать расход, превышающий некоторый критический уровень, так как хорошо пропаренные стружки имеют тенденцию опускаться в направлении, противоположном транспортному потоку, если их скорость становится слишком малой.
Корректирующая мера, которая может быть принята при малых скоростях, состоит в увеличении разбавления перед перекачиванием насосом, чтобы уменьшить концентрацию стружек. Однако, это неэффективно с точки зрения энергопотребления, поскольку в этом случае система подачи должна перекачивать излишне большой объем текучей среды, в результате чего увеличивается мощность, потребляемая насосом на единицу целлюлозной массы.
У каждого насоса имеется обусловленная конструкцией точка оптимального КПД (best efficiency point - ВЕР), для функционирования в которой он предназначен. В этой ВЕР потери на удары и потери на трение, в случае центробежных насосов, являются минимальными, что, в свою очередь, обеспечивает наивысшую эффективность насоса в этой точке.
Цель изобретения
Первой целью настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованной системы подачи древесных стружек, в которой оптимальная транспортировка может осуществляться в более широком интервале вблизи проектной производительности варочных котлов.
Другими целями настоящего изобретения являются:
- усовершенствованная эффективность системы подачи;
- улучшенная доступность для ремонта;
- сниженные эксплуатационные затраты на единицу перекачиваемых стружек;
- постоянная концентрация стружек во время перекачивания, независимо от объема выпуска;
- ограниченный набор типоразмеров насосов, которые охватывают широкий диапазон производственных возможностей варочного котла;
- упрощенное обслуживание;
- сниженные капитальные затраты по сравнению с системами подачи, включающими звездчатые дозаторы высокого давления или несколько последовательно установленных насосов.
Указанные цели могут быть достигнуты при использовании системы подачи согласно отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан первый вариант системы подачи для варочных котлов с верхним сепаратором;
На фиг.2 показан второй вариант системы подачи для варочных котлов без верхнего сепаратора;
На фиг.3-6 показаны различные варианты подсоединения насосов к выходному патрубку в резервуаре предварительной обработки;
На фиг.7 показано соединение системы подачи с верхней частью варочного котла без верхнего сепаратора;
Фиг.8 представляет собой вид фиг.7 сверху.
Подробное описание изобретения
В следующем далее подробном описании используется фраза «система подачи для варочного котла непрерывного действия». В данном документе термин «система подачи» означает систему, осуществляющую подачу древесных стружек из системы обработки стружек низкого давления, обычно от атмосферного давления до избыточного давления не более 2 бар (0,2 МПа), в варочный котел, в котором стружки находятся под высоким давлением, обычно в диапазоне 3-8 бар (0,3-0,8 МПа) в случае парофазного варочного котла или 5-20 бар (0,5-2,0 МПа) в случае гидравлического варочного котла.
Термин «варочный котел непрерывного действия» в настоящем документе означает либо парофазный варочный котел, либо гидравлический варочный котел, несмотря на то, что предпочтительные варианты осуществления изобретения поясняются на примере парофазных варочных котлов.
Основная концепция заключается в том, что система подачи включает по меньшей мере 2 насоса, установленных параллельно, предпочтительно, даже 3, 4 или 5 насосов, установленных параллельно. Было показано, что единственный насос может подавать стружечную суспензию в находящийся под давлением варочный котел, следовательно, возможно исключать традиционные звездчатые дозаторы высокого давления или усложненные системы подачи с 2-4 насосами, установленными последовательно.
Насосы размещены традиционным образом на фундаменте на уровне земли для облегчения их обслуживания.
В представленном выше варианте возможно обеспечить системы подачи для варочных котолов производительностью от 750 до 6000 тонн целлюлозной массы в день с использованием только нескольких типоразмеров насосов. Это очень важно, поскольку эти насосы для подачи древесных стружек с относительно высокой концентрацией являются в значительной степени специфическими в отношении их применения; и насосы, которые могут соответствовать задаче производства 4000-6000 тонн целлюлозной массы в день, являются крупногабаритными и производятся ограниченными партиями по нескольку насосов в год. Стоимость этих насосов, следовательно, становится решающим фактором для системы варочного котла.
В приведенной ниже таблице показано, как можно охватить интервал объема выпуска 750-6000 тонн, используя только два типоразмера насосов, оптимизированных для 750 и 1500 тонн целлюлозной массы в день, соответственно.
Программа для насосов (Х штук*=1-я альтернатива)
Номинальная производительность (тонн в день)
Насос на 750 т/д
Насос на 1500 т/д
750
1 штука
1500
2 штуки
2250(2250 альт.)
1 штука(3 штуки*)
1 штука-
3000(3000 альт.)
-(4 штуки*)
2 штуки
3750
1 штука
2 штуки
4500(4500 альт.)
-(2 штуки*)
3 штуки(2 штуки*)
5250
1 штука
3 штуки
6000
4 штуки
Из таблицы ясно видно, как при использовании концепции, соответствующей настоящему изобретению, возможно охватить интервал объема выпуска 1500-6000 тонн, используя только два оптимизированных типоразмера насосов, при этом одиночная насосная установка используется в менее крупных системах варочного котла производительностью менее 750 тонн. Варочные котлы непрерывного действия с производительностью 750 тонн в настоящее время редко используются на новых установках, так как в этом диапазоне успешную конкуренцию им часто составляют системы варочных котлов периодического действия. Определенный остаточный спрос может существовать для устаревших систем варочных котлов с низкой производительностью, где использованы дорогие системы подачи с звездчатыми дозаторами высокого давления.
Первый вариант исполнения
LEV
На фиг.1 показан вариант исполнения системы подачи, в которой по меньшей мере 2 насоса установлены параллельно. Стружки подают по ленточному транспортеру 1 в накопитель 2 стружек, расположенный на верхней части пропиточного резервуара 3 атмосферного давления. В этом резервуаре устанавливают самый низкий уровень жидкости, LIQ, добавляя щелочную пропиточную жидкость, предпочтительно, варочный щелок (черный щелок), который был отведен в сеточном фильтре SC2 в последующем варочном котле 6, и, возможно, добавляя белый щелок и/или другой щелочной фильтрат.
LEV
LEV
Стружки подают при нормальном управлении уровнем CH стружек, который устанавливается выше уровня LIQ жидкости.
-
Остаточное содержание щелочи в черном щелоке обычно составляет 8-20 г/л. Количество черного щелока и других щелочных жидкостей, добавляемых в пропиточный резервуар 3, регулируют при помощи датчика уровня 20, который осуществляет управление по меньшей мере одним клапаном расхода в трубопроводах 40/41. Эта щелочная пропиточная жидкость нейтрализует кислотность древесных стружек и насыщает их обогащенной сульфидом (HS) средой. Отработанный щелок с остаточным содержанием щелочи, примерно, 2-5 г/л, предпочтительно, 5-8 г/л, отводят из пропиточного резервуара 3 через сливной фильтр SC3 и направляют на регенерацию (REC). При необходимости, в резервуар 3 также может быть добавлен белый щелок (WL), например, как показано на чертеже, по трубопроводу 41. Фактическое остаточное содержание щелочи зависит от типа используемой древесины, относится ли она к твердым или мягким сортам, и от того, какой щелочной профиль нужно поддерживать в варочном котле.
В том случае, когда используется древесное сырье, легко поддающееся пропитке и нейтрализации, например, такое древесное сырье, как «стружечная мелочь» или очень мелкие быстро пропитывающиеся древесные стружки, резервуар 3, в исключительном случае, может представлять собой простой желоб с диаметром по существу соответствующим диаметру выходного патрубка 10 в форме стакана в нижней части резервуара. Необходимое время пребывания в этом резервуаре соответствует времени, которое нужно для пропитки древесины до такого состояния, чтобы она тонула в свободном варочном щелоке.
После обработки стружек в резервуаре 3 их выводят из нижней части этого резервуара, где также расположен общеупотребляемый донный скребок 4, приводимый в действие двигателем М1.
В соответствии с настоящим изобретением стружки подают в варочный котел посредством по меньшей мере 2 насосов 12а, 12b, установленных параллельно, и эти насосы соединены с выходным патрубком 10 в форме стакана в дне резервуара. В выходном патрубке 10 в форме стакана имеется верхнее входное отверстие, цилиндрическая обечайка и дно. Насосы соединены с цилиндрической обечайкой.
LEV
Для облегчения перекачивания стружечной смеси стружки суспендируют в резервуаре 3 с целью получения стружечной суспензии; в данном резервуаре предусмотрена подача текучей среды по трубопроводам 40/41, регулируемая датчиком 20, при помощи которого в резервуаре устанавливается уровень LIQ жидкости, выше уровня насоса по меньшей мере на 10 метров, предпочтительно, по меньшей мере на 15 метров, еще более предпочтительно, по меньшей мере на 20 метров. Таким образом, во входном отверстии насосов 12 а и 12b создается высокое статическое давление, так что один единственный насос может увеличивать давление и транспортировать стружечную суспензию в верхнюю часть варочного котла без кавитации насоса. Верхняя часть варочного котла типично находится по меньшей мере на 50 метров выше уровня насоса, обычно на 60-75 метров выше уровня насоса, при этом в верхней части варочного котла создается давление 5-10 бар.
Чтобы еще больше облегчить подачу на насосы, в выходном патрубке в форме стакана располагают мешалку 11. Предпочтительно, мешалку 11 устанавливают на том же валу, что и донный скребок, и приводят в действие при помощи двигателя М1. У этой мешалки имеется по меньшей мере 2 скребковых лопасти, которые охватывают выходные отверстия насосов, расположенные в обечайке выходного патрубка в форме стакана. В выходном патрубке в форме стакана, предпочтительно, осуществляют разбавление, например, при помощи выходных отверстий для разбавления (не показаны), соединенных с верхним краем обечайки.
На фиг.3-6 показано, как несколько насосов 12а-12d могут быть соединены с цилиндрической обечайкой выходного патрубка, и как на мешалке 11 может быть установлено до 4 скребковых лопастей. Насосы, предпочтительно, могут быть расположены симметрично вокруг цилиндрической обечайки выходного патрубка, в горизонтальной плоскости под углом 90° между выходными отверстиями, если имеется 4 насоса (120°, если имеется 3 насоса, и 180°, если имеется 2 насоса). Таким образом, можно избежать неравномерного распределения нагрузки на дно резервуара и его основание. На практике, кроме того, устанавливают запорный клапан (не показан) между обечайкой выходного патрубка 10 и входным отверстием насоса, и еще один клапан непосредственно после насоса, чтобы иметь возможность перекрывать поток через один насос, если этот насос нужно заменить во время непрерывного функционирования оставшихся насосов.
Как показано на фиг.1, стружки подают насосами 12а, 12b по транспортным трубопроводам 13а, 13b (на фиг.1 показано только два) в верхнюю часть варочного котла 6. На фиг.1 показан обычный верхний сепаратор 51, расположенный в верхней части варочного котла. Транспортные трубопроводы 13а, 13b, предпочтительно, 2, оба сообщаются с нижней частью верхнего сепаратора, где приводимый в действие мотором М3 подающий шнек 52 направляет стружечную суспензию на сливное сито SC1 верхнего сепаратора, где происходит ее обезвоживание. Осушенные стружки затем обычным образом выводят из верхнего выходного отверстия сепаратора, откуда они падают в варочный котел. В случае использования гидравлического варочного котла верхний сепаратор установлен в перевернутом положении и подает стружки вниз, в варочный котел.
Слитую в верхнем сепараторе 51 жидкость направляют по трубопроводу 40 снова в пропиточный резервуар 3 и, предпочтительно, подают в нижнюю часть пропиточного резервуара для облегчения выведения материала путем его разбавления.
В качестве альтернативы, трубопровод 40 может быть подсоединен к месту выходного отверстия трубопровода 41 в пропиточном резервуаре 3, а трубопровод 41 может быть подсоединен к месту выходного отверстия трубопровода 40 в пропиточном резервуаре 3 в соответствии с концепцией CrossCirc™, выведенной на рынок компанией Metso Paper. В одном из вариантов, потоки трубопроводов 40 и 41 могут быть смешаны в точке пересечения трубопроводов 40 и 41 на фиг.1.
Варочный котел 6 может быть снабжен несколькими контурами циркуляции и системой подачи белого щелока в верхнюю часть варочного котла или в питающие потоки варочного котла (не показано). На чертеже показан слив варочного щелока посредством сеточного фильтра SC2. Варочный щелок, отводимый с сеточного фильтра SC2, называют черным щелоком, и остаточное содержание в нем щелочи может быть несколько выше, чем в черном щелоке, обычно направляемом непосредственно на повторное использование и обычно отводимом в варочном котле намного ниже. Затем обработанные варкой стружки Р выводят из нижней части варочного котла при помощи обычного донного скребка 7 под действием давления в варочном котле.
Второй вариант исполнения
На фиг.2 показан альтернативный вариант исполнения, в котором отсутствует верхний сепаратор. Вместо этого транспортные трубопроводы 13а, 13b (на фиг.1 показаны только два) сообщаются непосредственно с верхней частью варочного котла. Избыточную жидкость затем отводят при помощи сеточного фильтра SC1 варочного котла, предусмотренного в стенке варочного котла. На фиг.7 и 8 это показано более подробно. Остальные части этого варианта исполнения соответствуют системе варочного котла, показанной на фиг.1.
AIR
LEV
LEV
На фиг.8 показано, как 4 транспортных трубопровода 13а, 13b, 13с и 13d могут сообщаться непосредственно с верхней частью варочного котла. Эти выходные отверстия, предпочтительно, могут быть расположены в верхней части варочного котла симметрично, в горизонтальной плоскости под углом 90° между выходными отверстиями, если имеется 4 выходных отверстия (120°, если имеется 3 выходных отверстия и 180°, если имеется 2 выходных отверстия). Выходные отверстия, предпочтительно, располагают на расстоянии 60-80% радиуса варочного котла. На фиг.7 показано, как транспортные трубопровода 13а, 13b и 13с сообщаются непосредственно с верхней частью варочного котла и, тем самым, обеспечивают распределение стружек по поперечному сечению варочного котла. В данном случае показан парофазный варочный котел, в котором пар ST и/или сжатый воздух P вводят в верхнюю часть варочного котла, где уровень CH стружек находится над уровнем LIQ жидкости в верхней части варочного котла. Избыток жидкости отводят при помощи сеточного фильтра SC2 и перед подачей опять в трубопровод 41 собирают в сливном пространстве 51. Преимуществом второго варианта исполнения, свойственным также и первому варианту, является то, что каждый насос может быть перекрыт независимо, тогда как оставшиеся насосы могут продолжать перекачивание при оптимальной эффективности без необходимости модификации системы подачи как таковой.
Настоящее изобретение не ограничивается указанными выше вариантами исполнения. В рамках прилагаемой формулы изобретения возможно большее число вариантов.
В варианте исполнения, показанном на фиг.2, в некоторых случаях применения сетчатый фильтр SC1 и обратный трубопровод 40, например, могут быть исключены, предпочтительно, для варки древесного материала с более высокой насыпной плотностью, такого как древесина твердых пород, в случае которого, при том же объеме выпуска для транспортировки, требуется меньше жидкости.
В случае, когда используется древесный материал, легко подвергающийся пропитке и нейтрализации, например, такой древесный материал, как стружечная мелочь или очень мелкие, быстро пропитывающиеся древесные стружки, резервуар 3, в исключительном случае, может представлять собой простой желоб с диаметром по существу соответствующим диаметру выходного патрубка 10 в форме стакана в нижней части резервуара.
LEV
LEV
Если подаваемые в резервуар 3 стружки уже хорошо пропарены, уровень LIQ жидкости может находиться над уровнем CH стружек.
В представленных вариантах исполнения в резервуаре 3 осуществляется предварительная обработка щелочью, однако, также возможно использование процесса, в котором предварительная обработка включает предварительный кислотный гидролиз.