专利名称：使用下流式容器的连续工艺中向纤维素原料添加处理液的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I和权利要求9的前序部分所述的在使用下流式容器以连续工艺制造化学浆期间，用于向粉末纤维素材料(优选为木片)添加处理液的方法和装置，在下流式容器中木片以塞流(plug flow)形式向下降。
背景技术：
现有技术中使用连续蒸煮器蒸煮化学纤维素纸浆，在蒸煮器中开始蒸煮工艺之前，普遍使用带有木片仓(chip bin)、汽蒸容器(steaming vessel)和浸溃木片斜槽(impregnating chip chute)的预处理装置。在浸溃流体或运输流体中随后形成木片衆之前，在木片仓中以一个或几个步骤执行汽蒸(steaming)。为了确定去除木片中所含的空气和水分、以使得浸溃流体能够完全渗透木片并使得空气不被吸入系统，汽蒸被认为是绝对必要的。已经尝试木片仓与浸溃容器结合，以便以这种方式获得更简单的系统。US2, 803，540已经披露一种系统，在该系统中来自木片仓的木片供给到一在其中实现组合式的汽蒸与浸溃的容器。在此容器中，木片在容器的上部被汽蒸，使用位于容器壁外的环形分布歧管/集管(header)并使得喷嘴穿透壁，在各种水平高度添加处于相同温度的浸溃流体。这些原理也应用于被称为“Mumin蒸煮”的工艺，其描述于TechnicalAssociation of the Pulp and Paper Industry (纸衆和纸工业技术协会)1970年出版的Sven Rydholm 所著“Continuous Pulping Processes (连续制衆工艺)”的第 144 页。在这个工艺中，未经汽蒸的木片被传送至组合式浸溃容器，在该容器的上部实现汽蒸，并在受迫循环期间在容器的上部的某点将浸溃流体添加至容器中。在此情况下，仅沿与木片相同的流动方向运载浸溃流体。在US3，532，594中揭示一种类似的具有低压第一公共汽蒸和浸溃容器的系统，该系统例如在瑞典的Skoghall工厂投入使用。其中加热的浸溃液体经由中心管添加到木片容积部，而且还示出用于供应蒸汽的附加中心管。此系统后来由于各种原因(例如运行能力问题、后续供给系统的容量问题以及所排放纸浆中浆渣和碎片含量过高之类)而被弃用。在US5，635，025所示的系统中，木片在被供应到呈木片仓、浸溃容器和木片斜槽的组合形式的容器之前不被汽蒸。木片位于液位之上，木片的汽蒸在此发生，通过位于液位下的容器壁来进行浸溃流体的简单添加。US6, 280，567披露了这类系统中的另一种，其中木片供应到大气压力的浸溃容器之前不被汽蒸，在该容器中木片通过添加维持在130-140°C左右温度的热黑液而被加热。所 添加的浸溃液体是经由喷嘴以类似US2，803，540所示的方式添加、亦即使用穿透容器的壁的供应喷嘴来添加的。SE523, 850披露了一种替换系统，其中将加压黑液添加到汽蒸容器的上部，由此使得黑液在经受压降之后释放出用于汽蒸工艺的蒸汽。热黑液的添加通过水平供应管进行；水平供应管穿透木片床(Chip bed)，并且在该管的长度方向上具有许多孔。但即使在较大(但不是在整个横截面的)区域上分配热黑液，这个方案也并不可取，这是因为水平管可以妨碍木片塞(chip plug)的运动。现有技术主要使用中心管或环形分布喷嘴向组合式的汽蒸和浸溃容器添加浸溃液体。在最近几年，新型蒸煮器系统的设计容量已经显著增加，从典型的500-2000风干吨/24小时(ADt/24h)到生产率超过5000风干吨/24小时。由于设计生产率提高，组合式的木片汽蒸和浸溃容器的直径也随之增大。事实上，利用现有技术工艺来使容器的直径增大并进行组合，所添加的处理液可能并未均匀分配在容器的整个横截面上，由此导致产生化学浓度梯度。SE523，850公开了另一方案以改进分配，但其因此代之以引入了木片塞堵塞的较大风险。
在较大处理容器中利用单个中心管来添加处理化学剂的另一缺点是，化学剂的流动快并将在容器的下部破坏均匀的塞流运动。只用一个中心管添加处理化学剂的其他缺点是(I)中心管在具有大设计容量的系统中直径变大，这意味着在中心管(其可继续一直下延到容器的底部)的端部下方形成一个直径与该管相同的孔，而这又会引起(木片与)液的沟道(liquor channeling)；(2)导致在一点产生大量的闪急蒸汽(flash steam),这又会因这种高速蒸汽与木片流反向流动而在中心管周围造成蒸汽沟道(steam channeling),这可导致木片堆的蒸汽吹漏(steam blow-through)现象。利用位于容器外的分配歧管和穿透容器的壁的供应喷嘴来添加处理化学剂的缺点是，除控制阀/仪和各管路的额外要求及因此增加的成本之外，还难以完全地从外壳侧到容器的中心分配化学剂，因此沿容器的外壳存在明显的液沟道风险。所有这些缺点可造成木片受到不均匀处理，因此由那些最靠近壁或最靠近中心管的塞流生产出质量大不相同的纸浆。在基本大气(压力)条件下以公共处理容器进行汽蒸和浸溃的技术由美卓公司(Metso Paper)以頂PBIN 的商标名称投入市场。属于这种概念的如下多个改进方案已经取得专利权 SE518, 738 ( = US7381302)，其中以较高的更高净水头(static head)在 MPBIN设备中的多个位置添加温度持续升高的浸溃液体；-SE528, 448 ( = EP1818445)，其中MPBIN设备的液体循环流路与蒸煮器中的那些循环流路分开； SE530, 725 ( = EP2065513)，其中MPBIN设备的顶部冷却喷淋器用于压制恶臭气体的喷放。现有技术添加处理液的上述缺点随着这些MPBIN型汽蒸和浸溃容器的尺寸变大而变得更加明显。具有每天5000风干吨以上容量的蒸煮器系统的典型圆筒形容器的直径还超过9m。
发明内容
发明目的和意义
本发明的原则目的是取得一种在使用下流式容器以连续工艺制造化学浆期间，用于处理液添加到木片的改进装置，在容器中木片以塞流形式向下降，该装置没有表现出与如上所述的与其他公知方案关联的缺点。该原则目的在大容量工艺中更为重要；在大容量工艺中，每天生产能力超过4000风干吨/纸浆且高达6000风干吨/纸浆，并且处理容器巨大而且还具有超过9m的直径。一个特定目的是能够在处理容器的整个体积中同等地处理木料、最小化所生产纸浆的卡伯值的变量以及减少工艺中的浆渣(未蒸煮的木料)的量。通过碱性黑液的均匀的初始分布，因此确保容器的整个横截面和体积上有足够的碱浓度，因为酸性预水解对纸浆强度属性和产量不利，所以也可减小暴露给广泛的酸性预水解的木片体积。另一特定目的是最小化木片或木料塞流中的沟道效应，通过根据传统的现有技术使用大直径的单数中心管，几乎不可避免会形成通道或空隙。如果在处理容器内形成这种通道，那么大多数或大部分被添加的处理液可能在处理容器中旁路经过旨在被处理的木料的总体流动。又一特定目的是降低从热处理液闪急蒸出(flash off)的蒸汽的蒸汽速率，这本身降低了蒸汽沿供应管的外表面产生沟道和泄漏的风险。通过减小蒸汽速率，还将降低喷放即蒸汽被推送并越过整个木片体积的风险。当蒸煮硬木和软木片、甘蔗渣和其他一年生植物时，能够有利地使用本发明。发明简述本发明的特征由独立权利要求限定，而可选实施例则限定在依次引用在前的权利要求的从属权利要求中。本发明还以优选实施例的形式公开，但是这种实施例的任何特定特征如果并未被明确限定为对于所主张效果而言是必要特征的话，应当被可选地包括在本发明内。
图I示出根据现有技术的浸溃容器；图2示出图I中使用的中心管的细节；图3示出本发明的实施例的侧视图；图4示出图3的俯视图。
具体实施例方式在以下描述中，将使用术语“处理液(treatment liquor) ”,此术语的意思是指一种旨在均匀添加到处理容器中的整个木片流的处理液。这种处理液可仅仅包括来自后面的蒸煮器的废蒸煮液(即黑液)，但也可以是以下两种或两种以上液体的混合物 黑液；·新的蒸煮化学剂,例如白液(和添加剂，例如蒽醌(antraquinon))； ·来自后面的洗涤阶段的稀释液体(即来自这些洗涤阶段的洗涤滤液)；·蒸汽(直接添加以加热处理液)。以下还将使用术语“处理液体(treatment liquid) ”，此术语的意思是指在容器中形成的处理液体或从容器取出的处理液体；处理液体除了部分为用过的处理液之外，还包含木片水汽或从木片分解出来的任何其他有机或无机的内含物。以下也将使用术语“处理容器”，此术语的意思是指用于以木素脱除形式或浸溃状态处理木片的任何种类的处理容器；即该容器可以是像MPBIN设备这样的大气压力组合式汽蒸和处理容器，或可为加压蒸煮器。使用了术语“粉末纤维素材料(comminuted cellulose material) ”,其优选可呈木片形式，但更多地是呈诸如锯末或细木条这样的碎木料形式(均从硬木或软木获得)。图I示出由Metso销售的制造化学浆期间用于浸溃木片的现有技术的装置，其具备MPBIN概念的所有基本部件，包含在基本大气压力(±0.5巴，即不是压力容器)下对木片进行湿汽蒸(wet-steaming)的技术。该装置包括竖直设置的基本圆筒形的浸溃容器30，未经汽蒸的木片经由供给装置连续供给到浸溃容器的顶部内，该供给装置呈不进行汽蒸的小木片缓冲器I和斜槽供给器(木片供给器)2的形式。因此，供给到浸溃容器内的木片是通常具有与周围温度相同温度的未经加热的木片。容器的压力能够通过设置在浸溃容器的顶部的阀门管路4中的控制阀31，也可经由输入管路5与蒸汽ST的控制组合，而按需要得到调整。当形成大气压力时，上述阀门管路能够直接向大气打开。压力优选形成在大气压力、或者略小于出口 4的-O. 5巴(_50kPa)大小的压力、或者略大于O. 5巴(50kPa)大小的压力的水平。若必要，可在顶部应用通风气流SW_AIR(吹扫气)，这样确保去除存在于容器内的或由供给粉末纤维素材料而带入容器内的任何气体。经浸溃的木片在浸溃容器30的底部经由输出装置连续排出；这里该输出装置呈出口 10的形式，该输出装置也可与底部刮板(图中未示)组合。在浸溃木片时，木片水平位CH_LEV应优选处于液位LIQ_LEV之上至少2m、且优选至少5m处。在以低密度原材料制浆的情况下，木片柱的高度优选形成为在流体表面上对应升高。为了给处于均匀塞流状态的木片提供通过容器的最佳通路，这个高度很重要。当主要对容易蒸煮类型的木头、例如桉树或其他一年生植物进行浸溃时，能够基本上避免以新鲜蒸汽(一次蒸汽)进行汽蒸。因此在正常的稳态操作期间，新鲜蒸汽不必加入位于由浸溃流体形成的液位的顶部的木片。即使利用低密度软木作为原材料，也能应用本发明，从而显著降低对汽蒸的需要，即减少新鲜蒸汽的添加。当主要处理难以蒸煮的木头原材料、尤其是密度较低的软木时，并且在木片处于极低温度(例如在冬季)的操作情况下，位于由浸溃流体形成的液位之上的木片能够通过加入浸溃容器的外部蒸汽ST而被加热，因此在木片达到已经由处理液形成的液位之前，木片堆中的木片的温度接近于ioo°c。经由公共中心管7a添加的处理液也能被形成为来自完全独立的多个来源(即不是来自一个公共的黑液流)的混合物。例如，处理液也可包含洗涤滤液。为了形成工艺所需的碱分布(alkali profile)的目的，所添加的处理液也能够是黑液与新鲜的蒸煮化学剂(即白液)的添加量的混合物。特别是，如果黑液中残碱度低，则仅简单地为了中和木头的酸性，通常发生碱的快速初始消耗，同时期望在浸溃阶段之后，最后残碱度保持在一定水平。需要添加的碱量主要取决于处于液位之上的木片体积中在汽蒸、期间释放出的木头酸度的水平，并因此取决于正在被处理的木头的种类(软木或硬木)。容器可配备有或不配备有提取筛(extraction screen),以允许在工艺早期进行液体提取(REC)。
图2是图I中经由单个中心管7添加处理液BL的区域的详图。这里公开的是位于液位LIQ_LEV之上的中心管7的出口。根据湿汽蒸的概念添加的热处理液如指向下方的箭头所示被加入容器的中心。木片堆中的处于中心管的出口端的水平位的压力低于被添加的处理液的沸腾压力，并且被添加的处理液将因此如指向上方的(颜色)较深的箭头所示闪急蒸出蒸汽。根据对这种额外蒸汽的需要，可在此高度加入由另一热回收系统(例如闪急旋风分离器(flash cyclone)、再煮器、热交换器等)产生的额外的新鲜蒸汽和/或闪急蒸汽ST，此蒸汽流由指向上方的颜色较浅的箭头示出。如此图所示，由pH边界表示出木片柱的碱分布情况，其中PH1和pH2分别表示在每个相应边界线形成的不同的pH值，其中pH值为PH1 > pH2。使用大中心管来供应处理液的另一效果是，形成了较大的孔或容器中向下降的木片塞的较不紧凑的中心部，此区域以CF表示。木片不够紧凑的这个中心部CF可构成用于被加入处理液的通道，这代替了使被加入处理液分配到整个木片体积的方式，从而在木片上耗用更少有效处理时间的条件下使得被加入处理液更快地到达处理容器的出口端。图3示出本发明的优选实施例，其重点在于与图I中的现有技术设计有关的改进。这里示出在以连续工艺制造化学浆期间，用于向粉末纤维素材料、优选向木片添加处理液BL的装置。所述工艺使用下流式容器13，在该容器中粉末纤维素材料以塞流形式向下降，而且在该容器中经处理的粉末纤维素材料在容器的底部连续排出，类似于图I的设计。这里的改进是处理液BL从公共源BL经由管道7供应到公共集管7c。竖直管7b多于两个，竖直管7b以其上端与公共集管7c连接，而且竖直管7b的开口下端插入木片塞流中。如图4的俯视图进一步示出的，这些竖直管被置于处理容器中的径向位置(半径)R1，该径向位置Rl小于处理容器在竖直管的开口下端的高度处的半径R2。如图4所示，公共集管7c优选呈圆环状，具有半径R1，并且位于容器内的水平面中。这将使木片能够不受干扰地供给到容器的中心区。半径Rl优选处于半径R2的20% -80%的范围内，且更优选地处于半径R2的50 % -66 %的范围内。在Rl的50 %的位置，距壁的距离与距容器的中心的距离相同，因此位移路径的长度相等。Rl的66%的位置对应于“黄金比例”；由于容器的圆筒形状，相似的纸浆体积通过添加处理液而沿径向从添加点向外及向内位移。在可选实施例中，内集管也可成形为“马靴”状，即呈U形形状，以代替图4所示的圆环状分配管。多个竖直管7b沿圆环状的公共集管7c的圆周方向，在均匀的多个角位置上连接到公共集管7c。这意味着至少三个竖直管7b可沿圆环状集管的圆周方向，在相隔120°的多个角位置上连接到公共集管7c ;或者至少四个竖直管7b可沿圆环状集管的圆周方向，在相隔90°的多个角位置上连接到公共集管7c，后一形式在图4中示出。如图3所示，处理容器13之外的管道7中可设置有单个控制阀CV,并且控制阀CV优选靠近处理容器的外壁或优选位于处理容器的外壁上。通过这样的设置，可使处理液的压力在管道系统中而且直到处理容器的壁都得到维持，任何压降仅产生于处理容器内的管道中。公共供应集管在可选实施例中(图中未示)也可位于容器之外，每个单独竖直管7b可由其自身的单独控制阀控制。如图3所示，但并非必要地，也可在处理容器的壁上设置有从处理容器抽取处理液流的抽取过滤器(withdrawal strainer) 6,所述抽取过滤器位于竖直管7b的开口下端处和该下端之上或之下。对任何这种抽取过滤器的需求很大程度上取决于整个工艺中的碱分布情况和木头的种类。因此所示装置提供一种在使用下流式容器以连续工艺制造化学浆期间，用于向粉末纤维素材料(优选为木片)添加处理液的方法；在该下流式容器中木片以塞流形式向下降，而且经处理的木片在容器的底部连续排出，经由被设置为平行于塞流方向的两个或更多个管添加处理液，由此在塞流区域上的多个点以多个平行流分配处理液并使塞流的干扰减到最小。根据本发明的方法，优选在稳态操作期间(即除了开始和结束或偶然扰乱之外)，将容器的液位形成为使得其在处理容器中位于木片的水平位之下，并使得管的出口在处理容器中位于液位之上但位于木片的水平位之下。本发明方法利用湿汽蒸工艺，其中经由两个或更多个管添加的处理液在这些出口的位置的温度超过出口附近的主压力作用下的沸腾温度，使得容器中位于液位之上的木片体积获得闪蒸效果。因此，无需为了由从蒸煮器抽取的黑液的压力和对蒸汽进行闪蒸(产生闪急蒸汽)而使用任何闪蒸罐(flash tank);而是改为在需要加热的木片堆内使黑液闪蒸，并且没有能量损失。在优选但并非必要的模式下，可根据本发明，在处理容器的壁中的某个位置进行处理流体的抽取，使得处理液从管的出口且进一步穿过液体体积中的木片而沿径向位移流动。除所示经由被设置为平行于塞流方向的两个或更多个管来添加处理液的实施例之外，还可经由被设置在容器外壳的分配喷嘴同时添加额外的处理液。试验在以大直径MPBIN设备进行的试验中，类似于图1，在筛段(抽取过滤器)6没有任何抽取，令人惊奇地发现液位下5m的pH水平低至9. 0，由于11以下的pH值指示没有残碱，所以这暗示没有残碱。处理液体的试样是在位于5m水平位的简单的25mm立柱开口(stud outlet)中抽取的。MPBIN设备的壁上如此低的水平位是最令人惊奇的，因为当所供应的处理液的碱水平为88g/l时，从处理容器排出的木片中的残碱水平高达35g/l。当改为以I. 5m3/平均绝干重(BDT)的被取出体积的木片进行试验时，在被抽取处理液中测得约2-5g/l的残碱水平。然而，这仍然不如从处理容器排出的木片的残碱水平所指不的那样闻。
这些试验指示出如图2所示的整个容器中的大体碱分布情况，分别指示出了边界PH1和PH2，并表明需要在整个塞流上更好地分配处理液。
权利要求
1.一种在使用下流式容器以连续工艺制造化学浆期间，用于向优选为木片的粉末纤维素材料添加处理液的方法；在所述容器中木片以塞流形式向下降，而且经处理的木片在所述容器的底部连续排出，其特征在于，经由被设置为平行于塞流方向的两个或更多个管添加处理液，由此在塞流区域上的多个点以多个平行流分配处理液，并使塞流的干扰减到最小。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述容器中的液位被形成为，使得所述液位在处理容器中处于木片的水平位之下；并使得所述管的出口在所述处理容器中处于液位之上,但处于木片的水平位之下。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经由所述两个或更多个的管加入的处理液在所述出口的位置的温度超过在所述出口附近的主压力作用下的沸腾温度，使得在所述容器中位于所述液位之上的木片体积获得闪蒸效果。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述处理容器的壁中的一位置进行处理流体的抽取，以使处理液从所述管的出口并进一步穿过液体体积中的木片而沿径向位移流动。
5.一种在使用下流式容器(13)以连续工艺制造化学浆期间，用于向优选为木片的粉末纤维素材料添加处理液的装置；在所述容器中，木片以塞流形式向下降，而且经处理的木片在所述容器的底部连续排出，其特征在于，处理液从公共源(BL)经由管道(7)被供应到公共集管(7c);竖直管(7b)多于两个，所述竖直管(7b)以其上端与所述公共集管连接，而且所述竖直管(7b)的开口下端插入木片塞流中，所述竖直管被设置在所述处理容器中的径向位置R1，所述径向位置Rl小于所述处理容器在所述竖直管的开口下端的高度处的半径R2。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述公共集管(7c)呈圆环状，具有半径Rl且位于所述容器内的水平面中。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述半径Rl为所述半径R2的20%-80%。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述竖直管(7b)沿圆环状的所述集管的圆周方向，在均匀的角位置上连接到所述公共集管(7c)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，至少三个竖直管(7b)沿圆环状的所述集管的圆周方向，在相隔120°的多个角位置上连接到所述公共集管(7c)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，至少四个竖直管(7b)沿圆环状的所述集管的圆周方向，在相隔90°的多个角位置上连接到所述公共集管(7c)。
11.如前述权利要求5至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理容器之外的所述管道(7)中设置有用于平行于塞流设置的所有单个管的单个控制阀(CV)，所述控制阀优选靠近所述处理容器的外壁或位于所述处理容器的外壁上。
12.根据前述权利要求5至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理容器之外的所述管道(7)中设置有用于平行于塞流设置的每一单个管的控制阀(CV)，所述控制阀优选靠近所述处理容器的外壁或位于所述处理容器的外壁上。
13.根据前述权利要求5至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理容器的壁上设置有从所述处理容器抽取处理液体流的抽取过滤器出)，所述抽取过滤器位于所述竖直管(7b)的开口下端处、所述开口下端之上或之下。
全文摘要
本发明涉及在以连续工艺制造化学浆期间，用于向优选为木片的粉末纤维素材料添加处理液的方法和装置。所述工艺使用下流式容器，在该容器中木片以塞流形式向下降，而且经处理的木片在容器的底部持续排出。通过从容器的中心偏置的多于两个平行管(7b)的设置，可获得更好的处理液分配效果，而且沿容器向下降的木片塞流的紊乱将减到最小。
文档编号D21C1/02GK102639785SQ200980161863
公开日2012年8月15日 申请日期2009年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者丹尼尔·托林, 弗雷德里克·威尔戈特松, 彼得·亨里克松 申请人:美卓造纸机械(瑞典)公司