专利名称：硫酸盐工艺中能量和化学品回收的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用燃气透平和用燃气透平驱动的压缩机来回收硫酸盐工艺中的能量和化学品的一种方法。在这一方法中，干固含量一般为60～80%的黑液送入气化反应器。在高于常压的压力下，在小于化学计量的氧气存在下，使黑液在气化反应器中气化。借助热空气引入气化反应器的方法使气化反应器的温度维持在800～1200℃。空气用压缩机压缩到高于常压的压力。此后，从气体中分离出含钠化合物，气体再进燃气透平。在这一方法中，无机化合物作为可用于现有制浆工艺的液相化合物被回收。黑液中有机化合物的能量主要限于气相化合物。
在目前的硫酸盐工艺中，黑液中的化学品和能量在所谓的苏打回收蒸发器中回收。通过分段送入空气，使蒸发器的下部保持强还原性。从苏打回收蒸发器中，主要以液相化合物Na2S和Na2CO3回收化学品。利用黑液的化学能量在苏打回收蒸发器中产生蒸汽，然后蒸汽在蒸汽透平中膨胀。制浆工艺需要的工艺蒸汽在某种程度上用废蒸汽，主要用透平以后得到的所谓背压蒸汽生产。制浆工艺需要的背压大约为0.4MPa，因此透平中的蒸汽膨胀比仍很低。事实上，采用苏打回收蒸发器的回收工艺最严重的缺点是发电量低。建立在苏打回收蒸发器基础上的回收工艺的投资费用高，还需要开发更有效果的回收工艺。
在以前熟悉的能量回收工艺中，在制浆工艺的回收操作中显著提高发电量最可行的办法看来是采用燃气透平。有许多专利说明书，其中最重要的特点是用燃气透平发电。例如FI专利说明书875056(Andersson)和国际专利说明书WO86/07396(Kignell)。这些专利文件在许多方面是重叠的，它们全面地确定了例如气化反应器的条件，以及在不同条件下回收化学品的适宜方法。
FI专利说明书875056公开了一种方法。在这一方法中，设法在含钠化合物仍留在固相及硫基本上转化成H2S的低温条件下进行气化。这一方法的问题是硫的回收，还有就是设备腐蚀比本发明大得多。
国际专利说明书WO86/07396公开了一种方法。在这一方法中，含钠化合物主要作为Na2S和NaCO3回收。因此从纤维素化学的观点看，它类似现有的回收方法。
以前所有方法的共同特点是，气化步骤得到的气体都用湿净化技术处理，因此浪费了可以在燃气透平中加以利用的能量。还有证据说明，湿净化技术除去气化反应器中排出的含钠化合物不够有效，因此当采用湿净化技术时，燃气透平的叶片部件的使用寿命太短，不经济。
从气化反应器排出的气体含有大量以液相和气相形式存在的钠，因此基于间接传热的冷却器难以保持清洁。使用换热式冷却器的另一问题是，汽化的钠的相转变中生成的颗粒很小，实际上不可能分离出这些颗粒。与使用燃气透平的回收工艺有关的这些问题以前未得到圆满解决。
本发明的目的是要优化电力和蒸汽的生产，以及解决上面提到的这些问题。
这一目的是借助本发明的方法来达到。本发明的特点在于，从气化反应器中取出转化成熔融状态的Na2CO3，作为它们的熔融混合物回收;仍含有熔融和汽化的含钠化合物的热气体由气化反应器进入装有固体颗粒的颗粒冷却器，经压缩压力高于常压的空气从压缩机进入冷却器，使颗粒冷却器的温度为300-600℃，因此含钠化合物在冷却器中变成固态;至少有一部分在颗粒冷却器中加热的空气进入气化反应器;在颗粒冷却器中冷却的气体用过滤器净化，然后进入燃气透平。
本发明还涉及硫酸盐工艺中回收能量和化学品的设备。设备有气化反应器、将热空气鼓入气化反应器的压缩机、从气化反应器生成的气体中分离含钠化合物的设备、燃气透平、气体净化设备和气体送入燃气透平的设备。设备的特点在于，所说的从气体中分离含钠化合物的设备有颗粒冷却器;设备还有经压缩压力高于常压的空气从压缩机送入颗粒冷却器的设备，以便冷却气体，使在气化反应器中变成熔融状态的含钠化合物变成固态;设备还有在颗粒冷却器中加热的空气送入气化反应器的设备;净化设备有净化气体中颗粒的过滤器;净化气体送入燃气透平的设备。
本发明最重要的特点与利用所谓的颗粒冷却器和过滤器冷却由气化反应器产生的气体有关。
下面参照附图详细描述本发明。其中
图1是说明本发明回收方法的流程图。图2是说明本发明另一实施方案的流程图。
参照图1，由一个或一个以上母液源得到的黑液经原料管线1a和1b送入汽化器1。它可以是流化床汽化器或任何一种适用于这一目的的其他汽化器。在汽化器1中，在高温下水从母液中汽化出来，以致母液的干固含量一般为60～80%。为了改进汽化过程，用泵2使热气体和蒸汽经管线1C循环，然后回到汽化器1的下部。浓缩的母液通过管线1d进入气化反应器3。在颗粒冷却器4中，加热的空气经管线4a也送入气化反应器，以使气化反应器3的温度维持在800～1200℃范围内，最好在900～1100℃。因此空气按40～50mol/kg干固体的数量送入气化器。用压缩机8压缩的、压缩后最终温度为270～350℃(与压缩比有关)的空气几乎全部送入颗粒冷却器4，以致颗粒冷却器的温度为300-600℃，最好400-500℃。从气化反应器3中回收Na2S和Na2CO3的熔融混合物经管线3a送到溶解器。含有熔融和汽化的含钠化合物的热气体从气化反应器送入颗粒冷却器4。为了净化，气体在冷却器中用压缩得到的空气流冷却，含钠化合物变成固态。
象这里使用的一样，颗粒冷却器指的是一种设备。在该设备中气体与颗粒物质接触，以便使气体迅速冷却。考虑到这一回收方法，颗粒冷却器有两个主要的优点1.气体中所含有的给加热表面造成问题的含钠化合物附着到固体颗粒表面，因此它们不会造成加热表面污染。
2.因为气化的含钠化合物有许多可利用的凝结中心，难分离的亚微颗粒数量(也就是极小的颗粒)变得不重要。
颗粒冷却器例如可能是流化床，它的温度用冷却来调节，最好采用蒸煮化学品Na2S和Na2CO3的混合物作为颗粒冷却器的成核物质，因此不需要外加可危害蒸煮过程的化学品。砂也可作为成核物质。
聚集在颗粒冷却器中的含钠化合物循环到气化反应器。从气化反应器进入溶解器，生成绿液。
在颗粒冷却器中，来自气化反应器的气体冷却到这样的温度，以致它们可用简单而有效的过滤器5净化。过滤器例如可能是纤维材料过滤器或陶瓷材料过滤器。目前，对于最广泛使用的纤维过滤器材料来说，适宜的操作温度为200～250℃左右。用来自压缩机的空气流不可能达到这一温度，它的入口温度大约为300℃。但是，考虑到发电，即使用水直接冷却使气体冷却到这一特殊温度，也不会出现重大损失，因为在压缩功率没有任何显著增加的情况下，蒸汽中的能量可在透平中高效转化成能量。
在过滤器5中积累的钠尘经管线5a送回气化反应器3。它以熔融状态从气化反应器中除去，使它进入绿液溶解器。
现在几乎完全不含钠的气体与在颗粒冷却器4中加热的空气一起送入燃气透平的燃烧室6。在燃烧室中，燃烧后温度用管线4b的空气流量调节到燃气透平7决定的最高温度。对于本法来说，最高温度为850～1000℃，它与透平的类型和生产厂家有关。在燃气透平7中，热气体膨胀，以膨胀功的形式释放的机械能一部分用于压缩机8，一部分用于发电机9。
燃气透平7的排放气的温度大约为450℃，因此它的热焓可用于为制浆工艺生产所需要的工艺蒸汽。视应用而定，可用一个或一个以上蒸发器，因此当采用不同的蒸汽压力时，可根据制浆工艺的需要，优化蒸汽的生产。
在图1所示的本发明实施方案中，该过程包括用排放气的部分能量在蒸发器10中生产6.0MPa的蒸汽的选择方案，蒸发器10产生的蒸汽间接进入黑液的加压汽化器，例如流程图中所示的密闭循环。在密闭循环中，蒸汽借助泵10a经密闭管线系统10b循环，以致在蒸发器10中加热的蒸汽流入汽化器1，冷凝的蒸汽从气化器1用泵10a送回蒸发器。如果黑液的干固含量在制浆工艺的汽化装置以后仍很低，这一工艺安排是必要的。汽化过程把60%干固含量例如提高到至少75～80%是有利的。事实上，汽化器1的特点在于，汽化最好是连续的，一直到黑液变成干粉，然后将粉末与汽化蒸汽经管线1d送到气化反应器3。如果需要的话，外加的燃料可经管线3b送入气化反应器3，以保证为气化提供足够的热能。
为了进一步提高该法的效率，蒸发器10产生的气体可再送入蒸发器11。由蒸发器11得到该装置通用的低压蒸汽(1.0MPa)。
用下面的例子描述安装本发明的回收系统的制浆厂。干重10kg的黑液(相当于一非常小的现代制浆厂的生产能力)用作参照数量。如下假设是以对于现有工艺是现实的参数值为基础。
选择黑液作为化合物和能量平衡的基准，黑液干固体的元素分析如下
元素 C H O N S Na重量分数 0.352 0.037 0.358 0 0.047 0.206干固体的有效热值 14 MJ/kg气化反应器温度 950℃气化反应器前空气的温度 400℃黑液的温度 150℃干固体流量 10kg/S压缩机压缩比 10透平压力比 9压缩机后空气的温度 306℃透平前气体的温度 900℃工艺计算基于发电量最大，因此只用燃气透平的排放气生产工艺蒸汽。
下面就图1的工艺安排，在三种不同的情况下确定化合物和能量平衡1.黑液中所含的水(0.25kg/kg干固体)作为水送入气化反应器。调节气化用的空气量，使气化反应器的计算温度为950℃。
2.黑液中所含的水(0.25kg/kg干固体)作为蒸汽送入气化反应器。调节用于气化的空气量，使气化反应器的计算温度为950℃。
3.除了气体的干净化用湿净化代替外，另一种情况与情况1一样。在湿净化中，气体用15℃的水冷却到115℃。平衡计算的结果列入表1。
表1每批10kg干黑液的对比平衡计算结果情况1水/干固体比0.25;非流化床气化器;气体干净化情况2水/干固体比0.25;流化床气化器;气体干净化情况3水/干固体比0.25;非流化床气化器;气体湿净化
与以前的以苏打回收蒸发器为基础的回收工艺技术相比，表1列出的所有发电量差不多为前者的两倍。另外，以使用燃气透平为基础的回收工艺的投资费用比以苏打回收蒸汽器为基础的要低得多。从表1看来，当采用湿净化时，发电量明显低于采用本发明的干净化时的发电量。湿净化技术的另一主要缺点是碱分离能力差，因此燃气透平的使用寿命仍很短，不经济。
图2说明主要部分对应图1所示的一种方法，另外它还有参照数12所示的熔融分离器。实际上，熔融分离器在汽化器3内。其功能是在气体由汽化器进入颗粒冷却器以前从热气体中分离最大的熔融颗粒。箭头12a表示在熔融分离器分离出的物质如何经汽化器进一步排放到溶解器中，如箭头3a所示。
这些图说明了本发明的某些实施方案。在其细节中，本发明的方法和设备可在权利要求范围内变化。例如，本发明的布局可通过在颗粒冷却器中或在燃烧室和燃气透平之间的蒸发器产生部分的工艺蒸汽适合于每一特定的制浆厂。
权利要求
1.利用燃气透平(7)和用燃气透平驱动的压缩机(8)来回收硫酸盐工艺中的能量和化学品的一种方法，在这一方法中，干固含量一般为60～80%的黑液送入气化反应器(3)，在高于常压、低于化学计量的氧气存在下，使黑液在气化反应器中汽化，向气化反应器中引入热空气，以使气化反应器的温度为800～1200℃，空气用压缩机(8)压缩到压力高于常压，此后，从气体中分离出含钠化合物，气体再进入燃气透平(7)，该法的特点在于，转变成熔融态的Na2S和Na2CO3从气化反应器(3)中分离出来，作为Na2S和Na2CO3熔融混合物回收；仍含有熔融的和汽化的含钠化合物的热气体由气化反应器(3)送入装有固体颗粒物质的颗粒冷却器(4)，来自压缩机(8)的气体经压缩，压力高于常压，並通过颗粒冷却器，使颗粒冷却器(4)的温度为300～600℃，因此，含钠化合物在颗粒冷却器(4)中变成固态；在颗粒冷却器中加热的空气至少有一部分进入气化反应器(3)；在颗粒冷却器中冷却的气体用过滤器(5)净化，然后进入燃气透平(7)。
2.按照权利要求1的方法，其特点在于，黑液的干固含量为75～80%。
3.按照权利要求1或2的方法，其特点在于，蒸煮化学品Na2S和Na2CO3的混合物用于颗粒冷却器中的形成颗粒的成核物质。
4.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，气化温度为900～1100℃。
5.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，颗粒冷却器的温度为400～500℃。
6.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，用纤维材料过滤器(5)从气体中分离出含钠化合物。
7.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，黑液在汽化器(1)中用蒸发器(10)产生的蒸汽间接汽化，燃气透平(7)的排放气与蒸发器(10)连接，黑液基本上被转变成干粉，干粉和汽化的蒸汽一起送入气化反应器(3)。
8.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，过滤器(5)中积累的钠尘循环到气化反应器(3)。
9.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，在颗粒冷却器(4)后过滤器(5)前，在换热器中或喷水到气体中使气体的温度降到200～250℃。
10.按照前面的权利要求中的任何一项的方法，其特点在于，在燃气透平(7)中以膨胀功释放出的机械能一部分用于压缩机(8)，一部分用于发电机(9)。
11.回收硫酸盐工艺中的能量和化学品的设备，它们有气化反应器(3)、将热空气鼓入气化反应器(3)的压缩机(8)、从气化反应器中生成的气体中分离含钠化合物的设备、燃气透平(7)、气体净化设备、将气体送入燃气透平(7)的设备，设备的特点在于，上述从气体中分离含钠化合物的设备包括颗粒冷却器(4);设备还包括将经压缩压力高于常压的空气从压缩机(8)送入颗粒冷却器(4)的设备，以致气体被冷却，在气化反应器(3)中变成熔融态的含钠化合物变成固态;设备还有在颗粒冷却器(4)中加热的空气送入气化反应器(3)的设备;净化设备包括净化气体中颗粒物的过滤器(5)。
12.按照权利要求11的方法，其特点在于，过滤器(5)是纤维材料过滤器，它位于颗粒冷却器(4)和燃气透平(7)之间。
13.按照权利要求11或12的设备，其特点在于，颗粒冷却器为流化床。
14.按照权利要求11～13中任何一项的设备，其特点在于，颗粒冷却器装有蒸煮化学品Na2S和Na2CO3的混合物或砂子作为成核物质。
15.按照权利要求11～14中任何一项的设备，其特点在于，设备还包括由燃气透平的排放气生产蒸汽的蒸发器(10)，以及蒸发器(10)产生的蒸汽送入的汽化器(1)，以便使黑液浓缩到适宜的干固含量。
16.按照权利要求11～15中任何一项的设备，其特点在于，以燃气透平(7)的膨胀功释放的机械能一部分用于压缩机(8)，一部分用于连接该设备的发电机(9)。
17.按照权利要求11～16中任何一项的设备，其特点在于，它有装在气化器(3)中的熔融分离器(12)，它用于气体送入颗粒冷却器前从热气体中分离熔融颗粒物。
全文摘要
本发明涉及回收硫酸盐工艺中的能量和化学品的方法和设备，其中黑液送入气化反应器，黑液在低于化学计量的氧气存在下，在高于常压下气化，因此无机化合物作为可用于现有制浆工艺的液相化合物被回收，黑液中的有机化合物的能量主要限于气相化合物。在气化中生成的含有含钠化合物的气体送入颗粒冷却器，这些化合物变成固态，在颗粒冷却器中冷却的气体用过滤器净化，然后送入燃气透平。
文档编号C01D7/00GK1064118SQ9210083
公开日1992年9月2日 申请日期1992年2月14日 优先权日1991年2月14日
发明者塞仆尔·鲁涂 申请人:坦佩拉动力股份公司