Экономически эффективный способ сульфатной варки с применением полисульфидного варочного щелока
Изобретение относится к способу получения сульфатной целлюлозы (крафт-целлюлозы) с повышенным выходом целлюлозы из лигнинсодержащего целлюлозного материала с применением полисульфидного варочного щелока. Способ получения сульфатной целлюлозы с повышенным выходом целлюлозы из лигнинсодержащего целлюлозного материала с применением полисульфидного варочного щелока включает подачу предварительно непропаренного лигнинсодержащего целлюлозного материала сначала в верхнюю зону первого вертикального резервуара, работающего под создаваемым в верхней зоне резервуара давлением, не превышающим 0,2 бар, и обеспечение в первом резервуаре верхнего уровня лигнинсодержащего целлюлозного материала; загрузку, по меньшей мере, 80% общей загрузки щелочного варочного щелока в форме полисульфидного щелока в первый резервуар и обеспечение нижестоящего уровня щелока ниже упомянутого верхнего уровня, при этом перед добавлением полисульфидного щелока упомянутый полисульфидный щелок нагревают до температуры выше точки кипения, позволяющей воде выпариваться из полисульфидного щелока, при этом пар задерживается в объеме лигнинсодержащего целлюлозного материала, находящемся выше нижестоящего уровня щелока; выдерживание суспендированного лигнинсодержащего целлюлозного материала в первом резервуаре в течение времени, необходимого для достижения значения H-фактора, равного, по меньшей мере, 1; подачу суспендированного лигнинсодержащего материала из нижней зоны первого резервуара в верхнюю зону второго вертикального резервуара, где лигнинсодержащий целлюлозный материал подвергается варке при максимальной температуре варки в диапазоне 130-160°C до конечного числа Каппа ниже 40, по мере добавления любой оставшейся загрузки щелочного варочного щелока, во время подачи во второй резервуар или варки во втором резервуаре. Реализация изобретения позволяет получить экономически эффективную систему, в том числе в аспектах, связанных с инвестиционными вложениями, а также в аспектах, связанных с экономией тепла при эксплуатации способа. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения сульфатной целлюлозы (крафт-целлюлозы) с повышенным выходом волокнистой целлюлозной массы из лигнинсодержащего целлюлозного материала с применением полисульфидного варочного щелока.
Уровень техники
При традиционном способе сульфатной варки в котлах для непрерывной варки целлюлозы, используемом в 1960-1970 гг., общую загрузку белого щелока добавляли в верхнюю зону котла для варки целлюлозы. Вскоре выяснилось, что высокие концентрации щелочи, обеспечиваемые при высоких температурах варки, негативно влияют на вязкость целлюлозной массы.
Следовательно, способы варки совершенствовались в направлении уменьшения таких негативно влияющих, высоких максимальных концентраций щелочи в начале варки, и поэтому загрузки щелочи во время варки, осуществляемой согласно таким способам варки, как MCC, EMCC, ITC и технология варки Lo-Solids, стали подавать по частям.
Также использовались другие способы варки с применением пропитки черным щелоком перед стадиями варки, где щелочь, оставшуюся в черном щелоке, применяли для нейтрализации кислотности древесины, и способы варки с применением пропитки щепы сульфидом щелочного металла. Одной из таких технологий варки, продаваемых компанией Вальмет (Valmet), является технология Compact Cooking, где черный щелок с относительно высоким уровнем остаточной щелочи извлекают с более ранних фаз варки и загружают на предварительную стадию пропитки.
Одним из аспектов потребления щелочи во время процесса варки, включающего в себя пропитку, является то, что потребление большей части щелочи происходит в результате предварительной нейтрализации древесины, и до 50-75% общего количества потребляемой щелочи потребляется во время нейтрализации и процесса щелочной пропитки. Следовательно, требуется много щелочи для загрузки на стадии предварительного ощелачивания. Было установлено, что в случае традиционного способа варки это создает обременительную проблему в виде высоких концентраций щелочи, негативно влияющих на вязкость целлюлозной массы при загрузке в верхнюю зону котлов для варки целлюлозы. Одним из решений, призванных удовлетворить необходимость высокого потребления щелочи и необходимость уменьшения концентрации щелока в начале процесса варки, являлась загрузка больших объемов щелоков для щелочной обработки, предпочтительно черного щелока с остаточным содержанием щелочи, но имеющего низкую концентрацию щелочи, что приводило к наличию относительно большого суммарного количества щелочи, приходящегося на кг древесного материала, но при этом низкой концентрации щелочи.
В патенте США № 7270725 (=EP 1458927) компании Вальмет (Valmet) описана стадия предварительной обработки с применением полисульфидного варочного щелока перед пропиткой черным щелоком. В таком способе пропиточный полисульфидный щелок отводили после стадии предварительной обработки и перед началом пропитки черным щелоком. Также стадию полисульфидной обработки предпочтительно проводили недолго с продолжительностью обработки в диапазоне 2-10 минут.
В недавно выданном патенте США № 7828930, международном документе, приведен пример способа сульфатной варки, где 100% варочного щелока в форме полисульфидного щелока, также называемого "оранжевый щелок", загружают в верхнюю зону котла для варки целлюлозы и начинают стадию пропитки. Здесь в начале стадии полисульфидной пропитки также повышают температуру от 60°C до 120°C. Однако, как показано в примере 1, путем добавления надлежащего количества воды в верхней зоне котла для варки целлюлозы устанавливают отношение щелок/древесина, равное приблизительно 3,5. Такой порядок отношения щелок/древесина при непрерывной варке часто воспринимается как стандартное отношение щелок/древесина, необходимое для стационарного процесса. Согласно упомянутому предложению часть оставшегося после пропитки полисульфидного щелока с относительно высокой концентрацией щелока извлекают и заменяют варочным щелоком при относительно низкой концентрации щелока в начале стадии варки, а извлеченный, оставшийся после пропитки полисульфидный щелок добавляют на более поздних стадиях варки.
В недавней заявке WO2013032377 компании Вальмет (Valmet) раскрыт наиболее эффективный полисульфидный способ сульфатной варки. Раскрыты принципы, связанные с первой низкотемпературной стадией пропитки полисульфидным варочным щелоком при низком отношении щелок/древесина в диапазоне от 2,0 до 3,2. Раскрыты все преимущества таких условий, которые путем ссылки также включены в настоящее изобретение, в котором упомянутые условия используются в полном объеме. Однако в системе, раскрытой в документе WO2013032377, применяют работающий под давлением пропиточный резервуар с расположенным до него шлюзовым питателем, что может приводить к более высоким температурам в пропиточном резервуаре для полисульфидной пропитки.
Одной из моделей для описания условий варки является модель H-фактора. Модель H-фактора представляет собой кинетическую модель, описывающую скорость делигнификации при сульфатной варке целлюлозной массы. Она представляет собой модель с единой переменной, объединяющей температуру (T) и время (t) варки, исходя из предположения, что делигнификация представляет собой одну отдельно взятую реакцию. Если предположить, что энергия активации соответствует 134 кДж/моль, H-фактор может определяться формулой:
Такая модель для одной отдельно взятой реакции описана в книге "Chemical Pulping" под редакцией Johan Gullichsen, Carl-Johan Fogelholm (2000) в издании "Papermaking Science and technology" 6A, Tappi Publications (Публикации Технической ассоциации целлюлозно-бумажной промышленности), стр. 291-292, и повсеместно применяется научным сообществом по варке целлюлозы в качестве ссылочной литературы по способам варки; и в настоящей патентной заявке модель H-фактора будет применяться для определения условий варки. Также онлайновый калькулятор H-фактора с применением модели отдельно взятой реакции, которая изложена выше, доступен в Интернете на сайте
http://www.knowpulp.com/english/demo/english/pulping/cooking/1 process/1 principle/h-tekijan laskenta.htm, где можно рассчитать H-фактор для любой конкретной стадии варки, то есть во время стадии подогрева (обычно во время стадии пропитки), а также во время стадии варки (при максимальной температуре варки), и общий H-фактор, определяемый для указанных стадий.
В документе WO2013032377 также описана такая модель с низким значением H-фактора, и с помощью применяемой модели H-фактора, которая раскрыта выше, для соответствующих времени выдерживания и температур (Время*Температура=H) применяются следующие H-факторы;
60*90=0; 60*100=1; 60*110=3, 60*120=9
90*90=0; 90*100=1; 90*110=5; 90*120=13
120*90=1; 120*100=2; 120*110=6; 120*120=18
Даже в том случае, когда во время варки, то есть во время предварительной, объемной и конечной делигнификации, соответственно, могут применяться немного отличающиеся друг от друга H-факторы или энергия активации, отличающаяся от 134 кДж/моль, для всей варки в целом, включая фазы пропитки и подогрева, применяется единый H-фактор, согласно сравнительным исследованиям, которые также подтверждены в ряде опубликованных научных исследований. Для разных пород древесины, особенно однолетних растений, древесины твердых пород и древесины мягких пород, также применяются отличающиеся друг от друга H-факторы, однако в данной патентной заявке для всех сортов древесины и всех фаз варки в качестве базового фактора применяется указанный выше H-фактор, соответствующий энергии активации 134 кДж/моль. H-фактор является самым лучшим параметром для определения технологических параметров операции делигнификации. При этом H-фактор, равный 1, указывает практически на отсутствие делигнификации в процессах варки, а для получения характеристик белимости в полном объеме наиболее часто требуется общий H-фактор, равный приблизительно 300-1500, и обычно приблизительно 700, что указывает на то, что при H-факторе, равном 1, получают лишь небольшой процент (менее 10%) итоговой делигнификации. Если для конечной волокнистой целлюлозной массы необходим H-фактор, равный всего лишь 300, который может быть в случае варок, при которых достигается высокий выход, H-фактор, равный 1, всего лишь указывает на то, что во время пропитки получают 1/300 итоговой делигнификации, то есть менее 0,4%.
Таким образом, наблюдается непрерывное развитие способов варки, при этом происходит поиск как путей уменьшения концентраций щелочи в начале варки, так и путей повышения выхода способа варки, в том числе с помощью добавления полисульфидного варочного щелока, который стабилизирует углеводы.
Сущность изобретения
Изобретение основано на усовершенствованном и упрощенном способе пропитки, который гарантирует, что в способе полисульфидной пропитки создаются низкотемпературные условия, при этом уменьшается количество оборудования, необходимого для осуществления способа. Благодаря этому нет необходимости устанавливать в пропиточный резервуар загрузочную систему высокого давления и верхний сепаратор, например, как показано в документе WO2013032377, излагающем общие принципы низкотемпературной пропитки при низком отношении жидкость/древесина. В соответствии со способом согласно изобретению также повышается экономия тепла во время всего процесса варки, поскольку процесс полисульфидной пропитки поддерживается при насколько возможно высокой температуре с использованием тепловой энергии полисульфида, а также уменьшается потребность в нагреве при последующем процессе варки, который нуждается в повышении температуры до максимальной температуры варки.
В изобретении в полном объеме используются технологические условия, которые изложены в документе WO2013032377, хотя, что касается более низких инвестиционных вложений, используется концепция ImpBin™, связанная с системами пропитки черным щелоком в варочных системах Compact Cooking™, при этом все системы разработаны и продаются компанией Вальмет (Valmet AB).
В книге "Chemical Pulping Part 1, Fibre Chemistry and Technology", второе издание, 2011, стр. 350-356, раскрыты концепции технологии варки Compact Cooking и ImpBin и применение пропиточного резервуара, работающего при атмосферном давлении, для комбинированной паровой обработки и пропитки, хотя и с добавлением горячего черного щелока, из которого выпаривается пар в случае необходимости паровой обработки щепы. Однако, что касается способа согласно изобретению, риск эмиссии дурнопахнущих газов уменьшается до минимума, поскольку отсутствуют неконденсирующиеся серосодержащие газы, такие как метилмеркаптаны, содержащиеся в применяемой пропитывающей жидкости.
Таким образом, концепцию ImpBin можно модифицировать от поддержания верхней зоны парового обогрева в "холодном состоянии" до поддержания верхней зоны в "горячем состоянии", то есть с помощью продувки пара через верхнюю зону пропиточного резервуара для того, чтобы можно было извлекать из отходящих газов более чистый скипидар. Поддержание верхней зоны пропиточного резервуара в "холодном состоянии" в случае обычной пропитки черным щелоком, применяемое в системе ImpBin, раскрыто в упомянутой книге "Chemical Pulping" (часть 1, второе издание) на стр. 356.
Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа получения сульфатной целлюлозы (крафт-целлюлозы) с повышенным выходом целлюлозы из лигнинсодержащего целлюлозного материала с применением полисульфидного варочного щелока, содержащего:
подачу предварительно непропаренного лигнинсодержащего целлюлозного материала сначала в верхнюю зону первого вертикального резервуара, работающего под создаваемым в верхней зоне резервуара давлением, не превышающем 0,2 бар и предпочтительно не превышающем 0,1 бар, и обеспечение в первом резервуаре верхнего уровня лигнинсодержащего целлюлозного материала;
загрузку, по меньшей мере, 80% общей загрузки щелочного варочного щелока в форме полисульфидного щелока в первый резервуар и обеспечение нижестоящего уровня щелока ниже упомянутого верхнего уровня, при этом перед добавлением полисульфидного щелока упомянутый полисульфидный щелок нагревают до температуры выше точки кипения, позволяя пару выпариваться из полисульфидного щелока, и вследствие этого задерживать пар в объеме лигнинсодержащего целлюлозного материала, находящемся выше нижестоящего уровня щелока;
выдерживание суспендированного лигнинсодержащего целлюлозного материала в первом резервуаре в течение времени, необходимого для достижения значения H-фактора, равного, по меньшей мере, 1, и предпочтительно H-фактора в диапазоне значений от 1 до 20;
подачу суспендированного лигнинсодержащего материал из нижней зоны первого резервуара в верхнюю зону второго вертикального резервуара, где лигнинсодержащий целлюлозный материал подвергается варке при максимальной температуре варки в диапазоне 130-160°C до конечного числа Каппа (перманганатного числа) ниже 40, по мере добавления любой остающейся загрузки щелочного варочного щелока, предпочтительно в форме полисульфидного щелока, во время подачи или варки во втором резервуаре.
При таком способе система технологического процесса существенно упрощается, поскольку первый резервуар используется как в качестве пропарочного резервуара для пропарки целлюлозного материала, так и в качестве пропиточного резервуара для пропитки целлюлозного материала полисульфидным варочным щелоком. Нет необходимости устанавливать в верхней зоне первого резервуара дорогостоящую систему подачи высокого давления и соединенный с ней верхний сепаратор, поскольку вместо этого простой ленточный транспортер может подавать целлюлозный материал в верхнюю зону с помощью работающего под низким давлением шлюзового питателя для подачи целлюлозного материала в верхнюю зону первого резервуара. Поскольку резервуар представляет собой резервуар, работающий при атмосферном давлении, на поверхности щелока поддерживается температура около 100°C, и в нижней зоне резервуара не могут создаваться условия для неуправляемого повышения температуры, обусловленные экзотермическими реакциями или повышенными загрузками более горячих щелоков, поскольку все повышенные температуры приводят к испарению воды с поверхности щелока, то есть система является саморегулирующейся системой. Единичное повышение температуры обнаруживается тогда, когда такое повышение температуры предпочтительно обусловлено экзотермическими реакциями, которые могут повышать температуру щелока до соответствующей температуры кипения при существующем в резервуаре гидростатическом давлении. Таким образом, на глубине 10 метров ниже уровня жидкости жидкость может приобретать температуру около 120°C, и на глубине 20 метров ниже уровня жидкости температура может составлять самое большее 133°C, если давление на уровне жидкости равно атмосферному давлению. Следовательно, в резервуаре, работающем при атмосферном давлении, у поверхности жидкости температура не превышает 100°C, и некоторый экзотермический нагрев может обнаруживаться в нисходящем потоке суспензии, а в нижнюю зону можно добавлять более горячие жидкости, не вызывая кипения вплоть до 133°C, если имеется давление со стороны 20-ти метрового столба жидкости.
Альтернативная цель заключается в обеспечении технологической системы, которая перед сульфатной варкой может переключаться с режима полисульфидной пропитки на режим пропитки черным щелоком только за счет изменений в маршруте подачи щелока между двумя режимами варки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления способа к объему лигнинсодержащего целлюлозного материала, удерживаемого выше нижестоящего уровня щелока, дополнительно добавляют пар. Такая опция может быть необходима на древесномассных заводах в холодном климате, поскольку при существующих условиях окружающей среды целлюлозный материал может иметь температуру в некотором диапазоне от -30 до -40°C, то есть может быть замороженным при низкой температуре. Хотя при обычной эксплуатации пар высвобождается из добавляемого полисульфидного щелока в достаточно полном объеме.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа часть объема щелока, находящегося в первом резервуаре, изымают через стенку первого резервуара и возвращают обратно в объем лигнинсодержащего целлюлозного материала через первую систему циркуляции (щелока). В данном варианте осуществления изобретения первую систему циркуляции (щелока) предпочтительно нагревают от источника тепла.
Альтернативно или дополнительно полисульфидный щелок добавляют в первый резервуар, нагреваемый от источника тепла. Принимая во внимание, что нагрев необходим для того, чтобы высвобождать пар, нагрев полисульфида особенно эффективен, поскольку низок риск забивания теплообменников таким щелоком, не содержащим какого-либо целлюлозного материала, который можно изымать во время циркуляции щелока.
Нагретый полисульфидный щелок можно добавлять непосредственно в резервуар без дополнительного смешивания с другими щелоками, хотя в предпочтительном варианте осуществления изобретения полисульфидный щелок добавляют в первую систему циркуляции (щелока).
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения источник тепла, применяемый для нагрева циркулирующего и/или полисульфидного щелока, представляет собой горячий отработанный варочный щелок, извлекаемый из второго резервуара. Такой отработанный варочный щелок при изъятии из второго варочного резервуара сохраняет максимальную температуру варки и содержит значительное количество тепловой энергии, подлежащей использованию для нагрева щелоков в первом резервуаре.
Альтернативно, применяемый источник тепла представляет собой пар, предпочтительно пар из паровой сети низкого давления древесно-массного завода. Поскольку нагрев осуществляют для достижения температур, близких к 100°C, пар низкого давления применяют довольно часто, и наиболее часто такой пар в избытке доступен на древесно-массном заводе. Пар среднего давления более дорогой и используется для более жестких технологических условий, соответствующих температурам значительно выше 100°C.
Согласно наиболее предпочтительному режиму работы способ согласно изобретению эксплуатируется с последовательным расположением оборудования в условиях, которые изложены в документе WO2013032377, где щелок в первом резервуаре имеет концентрацию щелока выше 60 г/л и концентрацию полисульфида выше 3 г/л или выше 0,09 моль/л, когда в упомянутом первом резервуаре при добавлении варочного полисульфидного щелока обеспечивают отношение щелок/древесина в диапазоне от 2,0 до 3,2. Однако установить такое низкое отношение щелок/древесина в настоящем изобретении значительно легче, поскольку перед загрузкой в пропиточный резервуар целлюлозный материал не суспендируется в каком-либо щелоке. Следовательно, добавляемый полисульфидный щелок, применяемый в способе согласно изобретению, может и не конкурировать с суммарными объемами щелоков, вводимых в пропиточный резервуар из предшествующей системы подачи, поскольку целлюлозный материал содержит не больше жидкости, чем природное содержание влаги в целлюлозном материале.
Применяемые в настоящем способе лигнинсодержащие целлюлозные материалы представляют собой подходящую древесину мягких пород, древесину твердых пород или однолетние растения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема варочной системы, которая способна осуществлять способ согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
На фигуре 1 приведена двухрезервуарная система сульфатной варки, содержащая первый пропиточный резервуар А, работающий при атмосферном давлении, и второй котел B для варки целлюлозы, содержащий фазы водяного пара/жидкости, в которой можно осуществлять способ согласно изобретению. Функционирование системы описано в следующих разделах.
Подача
В системе такого типа сначала лигнинсодержащий целлюлозный материал в виде щепы подается с помощью ленточного транспортера CB в верхнюю зону пропиточного резервуара А, работающего при атмосферном давлении, и спускается в верхнюю зону с помощью обычного шлюзового питателя SF. В резервуаре устанавливается первый верхний уровень LE1 щепы. Одновременно в резервуар добавляют пропитывающую жидкость, устанавливая при этом второй, нижестоящий уровень LE2 жидкости. В данном способе добавляют новую пропитывающую жидкость в виде полисульфидного щелока, указанного на чертеже как "оранжевый щелок", и в указанном месте загружают от 80% до 100% общей загрузки щелочи, необходимой для всего процесса варки. В варианте осуществления изобретения, показанном на фигуре 1, полисульфидный щелок добавляют в систему циркуляции, обеспечиваемую в резервуаре A и содержащую выпускную сетку SC1 на стенке резервуара, трубопровод и насосы, направляющие извлеченный пропиточный щелок обратно в центральную часть резервуара с помощью центральной трубы CP. Поэтому новый полисульфидный щелок может распределяться по всему поперечному сечению резервуара по мере того, как его поток подвергается циркуляции.
Второй, нижестоящий уровень LE2 жидкости устанавливают на расстоянии 5-15 метров ниже верхнего уровня LE1 щепы, и тем самым выше уровня жидкости обеспечивают некоторый объем целлюлозного материала. Такой плотноупакованный объем целлюлозного материала обеспечивает постоянную нагрузку, которая направляет столб целлюлозного материала вниз и в объединенный щелок, содержащийся в нижней зоне резервуара. Плотный столб целлюлозного материала также обеспечивает охлаждение объема конденсата и, наконец, конденсацию любого пара, который может испаряться вверх навстречу древесному материалу, который введен в верхнюю зону резервуара и поддерживается при низкой температуре, предпочтительно при температуре окружающей среды.
Паровая обработка
Целлюлозный материал должен подвергаться паровой обработке для того, чтобы вытеснить связанный воздух и обеспечить стопроцентную пропитку. Воздух должен вытесняться до такой степени, чтобы целлюлозный материал лишился своей подъемной силы, а также был способен пропитаться до такой степени, чтобы весь объем целлюлозы мог полностью провариться, и количество брака после варки уменьшалось. На практике нет способа паровой обработки, способного вытеснять из целлюлозного материала 100% всего связанного воздуха, хотя большинство систем вытесняет воздух до такой степени, что древесный материал лишается своей подъемной силы, а также количество брака поддерживается на приемлемых уровнях. Благодаря опыту применения концепций ImpBin было доказано, что концепция паровой обработки, применяемая в системах ImpBin, воздействует до такой степени, что даже большие куски целлюлозного материала становятся полностью пропитанными, и что объемы брака в некоторых случаях близки к нулю. В некоторых случаях внедрения системы ImpBin операторам древесно-массных заводов сторонними консультантами было рекомендовано устанавливать очень большие бункеры для брака (для некондиции), хотя после нескольких недель эксплуатации было обнаружено, что в бункер для брака не поступал даже объем брака в виде длинноразмерной щепы ("зубочисток"), что подтверждает прекрасный результат пропитки в случае применения системы ImpBin при такой схеме монтажа. Это следует сравнить с некоторыми, бытующими в целлюлозной промышленности конца 1980-х годов представлениями о том, что целлюлозный материал нуждается в осуществлении экстенсивной паровой обработки в устройствах специального назначения: сначала паровая обработка в бункере для щепы и затем также паровая обработка в отдельном пропарочном резервуаре при немного более высоком давлении перед суспендированием пропаренной щепы в щелоке, который до конца 1990 гг. стандартно применялся для традиционной варки.
В описанной системе главный эффект от частичной паровой обработки или в некоторых случаях эффект от полной паровой обработки получают при добавлении горячих щелоков с температурой выше 100°C, в данном случае горячих щелоков, содержащих полисульфидный щелок, в центральную часть резервуара A, и благодаря тому, что резервуар представляет собой резервуар, работающий при атмосферном давлении, пар выпаривается в объем целлюлозного материала. Пар выпускается из выходного конца центральной трубы CP, расположенного в нижнем конце объема целлюлозного материала, расположенного выше второго уровня LE2 жидкости. В некоторых случаях может применяться несколько центральных труб для более равномерного распределения пара и полисульфидного щелока по всему поперечному сечению с применением многотрубной системы, которая описана в патенте EP 2467533.
Как было описано, щелоки добавляют в резервуар, нагреваемый предпочтительно с применением теплообменников HE1 и HE2. Можно применять прямое вдувание пара, хотя у такого способа имеется недостаток, связанный с тем, что из-за разбавляющего действия пароконденсата концентрация полисульфида уменьшается. Также замена чистого пароконденсата в случае его утраты является дорогостоящей, поскольку даже обычная водопроводная вода нуждается в тщательной и дорогостоящей очистке перед ее применением в паровом цикле, так что предпочтительно возвращать чистый пароконденсат из теплообменников непрямого действия обратно в паровой цикл.
Первый теплообменник HE1 можно включать в описанную систему циркуляции, а второй теплообменник HE2 можно включать в трубопровод, подающий полисульфидный щелок, и можно применять, по меньшей мере, одну из таких систем теплообменников, если не обе одновременно, в зависимости от потребности в нагреве и исходной температуры полисульфидного щелока.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения, раскрытом на фигуре 1, в первом теплообменнике HE1 применяется тепловая энергия горячего отработанного варочного щелока, извлекаемого из котла для варки целлюлозы. Отработанный варочный щелок при изъятии обычно сохраняет максимальную температуру варки, то есть 130-160°C, при этом упомянутые температуры получают после применения острого пара из паровой сети среднего давления древесно-массного завода. Такая высокая тепловая энергия предпочтительно применяется для нагрева полисульфидного щелока, который обычно получают по месту эксплуатации древесно-массного завода и хранят в цистернах при атмосферном давлении и температуре хранения около 70-80°C. Поэтому перед добавлением в систему полисульфидный щелок легко можно нагревать с помощью теплообменников до температуры около 110-130°C.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения, раскрытом на фигуре 1, в системе второго теплообменника HE2 применяется тепловая энергия пара низкого давления, получаемого с применением острого пара из паровой сети низкого давления древесно-массного завода. В отличие от пара среднего давления пар низкого давления чаще всего в избытке доступен на древесно-массном заводе, хотя является наиболее подходящим для нагрева в диапазоне 100-130°C. Нагрев, получаемый с помощью второго теплообменника в системе циркуляции, предпочтительно в сочетании с нагревом полисульфидного щелока, чаще всего является достаточным для эффективной паровой обработки целлюлозного материала в теплом климате, где щепа хранится при температуре окружающей среды около 20-30°C или даже при более высокой температуре.
В областях применения с особенно жесткими условиями, например, в холодном климате с температурами окружающей среды гораздо ниже 0°C и соответствующей температурой целлюлозного материала можно подавать дополнительный пар, как было раскрыто, непосредственно в резервуар A, применяя пар низкого давления, полученный с применением острого пара из паровой сети низкого давления древесно-массного завода. Такой пар можно подавать в распределительную камеру, расположенную на стенке котла для варки целлюлозы выше второго уровня LE2 жидкости, и предпочтительно оснащенную, как раскрыто в патенте EP 2591165, которая ранее применялась для пропитки черным щелоком в системе ImpBin и впервые была внедрена на древесно-массных заводах в областях с холодным климатом.
В случае таких альтернативных вариантов паровой обработки может отсутствовать риск эмиссии дурнопахнущих серосодержащих соединений, поскольку все добавляемые щелоки не содержат черного щелока. Поэтому используемую в системе ImpBin концепцию паровой обработки с поддержанием верхней зоны парового обогрева в "холодном состоянии", ранее применяемую в случае пропитки черным щелоком, необязательно можно изменить. Если вместо этого внедрить поддержание верхней зоны в "горячем состоянии", разрешив продувку пара через весь объем целлюлозы, расположенный выше второго уровня LE2 жидкости, то газы, отходящие из резервуара, можно отправлять на выделение скипидара, получая при этом скипидар с меньшим содержанием серы.
Обычно отработанный варочный щелок при изъятии из котла сохраняет максимальную температуру варки, то есть 130-160°C, причем упомянутые температуры получают уже после истечения какого-то времени. Такую высокую тепловую энергию предпочтительно применяют для нагрева полисульфидного щелока, который обычно получают по месту эксплуатации древесно-массного завода и хранят в цистернах при атмосферном давлении и температуре хранения приблизительно 70-80°C.
В описанную систему циркуляции может быть включена система второго теплообменника HE2 (HE1), и система второго теплообменника HE2 может быть включена в трубопровод, подающий полисульфидный щелок, и, по меньшей мере, одну из таких систем теплообменников, если не обе одновременно, включают в зависимости от потребности в нагреве и исходной температуры полисульфидного щелока. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения, раскрытом на фигуре 1, в системе второго теплообменника используют тепловую энергию горячего отработанного варочного щелока, извлекаемого из котла для варки целлюлозы. Отработанный варочный щелок при изъятии обычно сохраняет максимальную температуру варки, то есть 130-160°C, причем упомянутые температуры получают после применения острого пара из паровой сети среднего давления древесно-массного завода. Такую высокую тепловую энергию предпочтительно применяют для нагрева полисульфидного щелока, который обычно готовят по месту эксплуатации древесно-массного завода и хранят в цистернах при атмосферном давлении и температуре хранения приблизительно 70-80°C.
Каждый теплообменник может содержать ряд теплообменников, скомпонованных в систему (не показана), с применением более горячего теплоносителя в противоточном режиме для того, чтобы остаточным количеством тепловой энергии теплоносителя нагревать самый холодный поток в первом теплообменнике, а основной тепловой энергией нагревать поток, который попадает во второй теплообменник, по меньшей мере, пройдя через предыдущий теплообменник.
Подача со стадии пропитки в варочный резервуар
Таким образом, первую стадию пропитки в резервуаре осуществляют в резервуаре А (B), в который предпочтительно загружают только полисульфидный варочный щелок и насколько возможно малое количество дополнительных жидкостей, таких как влага древесины, пароконденсаты и, в частности, в загрузке отсутствуют черный щелок, дополнительная вода или фильтраты. Обеспечиваемое в результате отношение щелок/древесина должно находиться в диапазоне значений от 2,0 до 3,2, и температура должна находиться в диапазоне 100-120°C.
После достаточного времени выдерживания в резервуаре A, длительность выдерживания в котором на стадии пропитки должна приводить к значению H-фактора в диапазоне от 1 до 20, пропитанный целлюлозный материал будет подаваться в котел В для варки целлюлозы, содержащий фазы водяного пара/жидкости, вместе с остаточным пропиточным щелоком. На фигуре 1 показана система транспортировки с помощью параллельных центробежных насосов, соответствующая системе, раскрытой в патентах EP 2268862 и/или EP 2268861, хотя также можно применять обычные шлюзовые питатели. Как было раскрыто, необязательно в верхнюю зону котла для варки целлюлозы может подаваться дополнительный воздух в форме подаваемого под давлением воздуха CA, который без перегрева может повышать давление в верхней зоне котла для варки целлюлозы, если в верхней зоне необходимо более высокое давление и применение более низких температур варки. Однако необходимо понимать, что изобретение с таким же успехом можно осуществлять с применением гидравлического котла для варки целлюлозы, то есть котла для варки целлюлозы без паровой фазы в верхней зоне и полностью заполненного варочным щелоком. Благодаря пропитке при низком значении H-фактора остаточный пропиточный щелок содержит большую часть исходной загрузки щелочи, поскольку фактически ничего не было израсходовано на делигнификацию. Здесь показана традиционная система транспортировки с разбавлением в нижней зоне резервуара B пропиточным щелоком, извлеченным из верхнего сепаратора TS в верхней зоне резервуара B и передаваемым посредством рециркуляционного трубопровода TRRET. Также в рециркуляционный трубопровод добавляют часть горячего отработанного варочного щелока, извлекаемого из фильтрующей сетчатой секции SC2, чтобы повысить температуру перед варкой в резервуаре B. В верхней зоне резервуара B котла для варки целлюлозы целлюлозный материал нагревают до максимальной температуры варки в диапазоне 130-160°C в зависимости от типа целлюлозного материала. Нагрев котла для варки целлюлозы до максимальной температуры обычно осуществляют путем добавления пара среднего давления из паровой сети СД древесно-массного завода. Для того чтобы уменьшить концентрацию щелочи на этой стадии, добавляют дополнительную жидкость, которая в данном варианте осуществления изобретения является частью извлеченных отработанных варочных щелоков, извлекаемых из фильтрующих сетчатых секций SC2 и SC3. Большую часть отработанного щелока, извлекаемого из фильтрующих сетчатых секций SC2 и SC3, отправляют на регенерацию REC, хотя их тепловая энергия сначала отбирается в теплообменнике HE1, как было раскрыто, и затем под конец предпочтительно посредством быстрого испарения в испарительном резервуаре FT до давления окружающей среды. Выпаренный пар STS предпочтительно направляется в систему для газов с сильным запахом (LVHC, небольшой объем высококонцентрированного газа) или систему для разряженных газов (HVLC, большой объем низкоконцентрированного газа), где последний после разбавления газов направляется на утилизацию и предпочтительно на сжигание дурнопахнущих газов. Как также было раскрыто, выпаренный отработанный варочный щелок сначала направляется в сучкоуловитель, где сучки, уловленные из отработанного варочного щелока, направляются в систему удаления сучков, а выпаренный отработанный варочный щелок затем вновь возвращается в нижнюю зону резервуара A.
В данном варианте осуществления изобретения показан котел B для варки целлюлозы с двумя одновременно действующими варочными зонами, причем одна варочная зона находится выше первой фильтрующей сетчатой секции SC2, и вторая варочная зона находится выше заключительной фильтрующей сетчатой секции SC3 в нижней зоне котла для варки целлюлозы, хотя в резервуаре B котла для варки целлюлозы можно осуществлять любой тип варочной схемы. При обычном способе предпочтительно наличие зоны заключительной противоточной промывки, осуществляемой в нижней зоне котла для варки целлюлозы путем добавления промывочной воды/промывки. Конечную волокнистую целлюлозную массу с числом Каппа ниже 40 выводят из нижней зоны котла в виде потока POUT.
Альтернативные варианты осуществления изобретения
Изобретение можно осуществлять разными способами помимо того, который раскрыт на фигуре 1. Резервуар B котла для варки целлюлозы может работать согласно технологиям варки EAPC, MCC, ITC или Lo-Solids с дополнительными загрузками щелочи или без дополнительных загрузок щелочи в некоторые системы циркуляции при варке в котле. Если пропиточный резервуар работает в режиме поддержания верхней зоны в "холодном состоянии", то в пропиточный резервуар также можно добавлять черный щелок для того, чтобы достигнуть необходимых желательных отношений жидкость/древесина (если недостаточно загрузки полисульфидного щелока).
1. Способ получения сульфатной целлюлозы с повышенным выходом целлюлозы из лигнинсодержащего целлюлозного материала с применением полисульфидного варочного щелока, включающий:
подачу предварительно непропаренного лигнинсодержащего целлюлозного материала сначала в верхнюю зону первого вертикального резервуара, работающего под создаваемым в верхней зоне резервуара давлением, не превышающим 0,2 бар, и обеспечение в первом резервуаре верхнего уровня лигнинсодержащего целлюлозного материала;
загрузку, по меньшей мере, 80% общей загрузки щелочного варочного щелока в форме полисульфидного щелока в первый резервуар и обеспечение нижестоящего уровня щелока ниже упомянутого верхнего уровня, при этом перед добавлением полисульфидного щелока упомянутый полисульфидный щелок нагревают до температуры выше точки кипения, позволяющей воде выпариваться из полисульфидного щелока, при этом пар задерживается в объеме лигнинсодержащего целлюлозного материала, находящемся выше нижестоящего уровня щелока;
выдерживание суспендированного лигнинсодержащего целлюлозного материала в первом резервуаре в течение времени, необходимого для достижения значения H-фактора, равного, по меньшей мере, 1;
подачу суспендированного лигнинсодержащего материала из нижней зоны первого резервуара в верхнюю зону второго вертикального резервуара, где лигнинсодержащий целлюлозный материал подвергается варке при максимальной температуре варки в диапазоне 130-160°C до конечного числа Каппа ниже 40, по мере добавления любой оставшейся загрузки щелочного варочного щелока, во время подачи во второй резервуар или варки во втором резервуаре.
2. Способ по п. 1, в котором к объему лигнинсодержащего целлюлозного материала, находящемуся выше нижестоящего уровня щелока, добавляют дополнительный пар.
3. Способ по п. 2, в котором часть объема щелока, находящегося в первом резервуаре, извлекают через стенку первого резервуара и возвращают обратно в объем лигнинсодержащего целлюлозного материала через первую систему циркуляции.
4. Способ по п. 3, в котором первую систему циркуляции нагревают от источника тепла.
5. Способ по п. 4, в котором полисульфидный щелок добавляют в первую систему циркуляции.
6. Способ по п. 3, в котором полисульфидный щелок, добавляемый в первый резервуар, нагревают от источника тепла.
7. Способ по п. 6, в котором нагретый полисульфидный щелок добавляют в первую систему циркуляции.
8. Способ по любому из пп. 4 или 6, в котором источником тепла является горячий отработанный варочный щелок, извлекаемый из второго резервуара.
9. Способ по любому из пп. 4 или 6, в котором источником тепла является пар, предпочтительно пар из паровой сети низкого давления древесно-массного завода.
10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором суспендированный лигнинсодержащий целлюлозный материал выдерживают в первом резервуаре в течение времени, необходимого для достижения значения H-фактора от 1 до 20.
11. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором упомянутый первый резервуар работает под создаваемым в верхней зоне резервуара давлением, не превышающим 0,1 бар.
12. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором оставшаяся загрузка щелочного варочного щелока находится в форме полисульфидного щелока.
13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором концентрация щелока в первом резервуаре выше 60 г/л, и концентрация полисульфида выше 3 г/л или выше 0,09 моль/л в случае добавления полисульфидного варочного щелока, при этом в упомянутом первом резервуаре обеспечивают отношение щелок/древесина в диапазоне значений от 2,0 до 3,2.
