纸浆脱色中改善臭氧循环气流的方法

专利名称：纸浆脱色中改善臭氧循环气流的方法
技术领域：
本发明涉及臭氧发生工艺中用的一种再循环气流的改善，尤其涉及木纸浆的臭氧脱色处理中臭氧再循环气流中的杂质去除。
通常，臭氧发生技术是该领域的技术人员所熟悉的，然而，在大量的公知方法中，仅有两种方法具有明显的商业价值。即对空气或氧气进行紫外线照射，和在空气或氧气中进行电晕或放电。紫外线照射法仅能够产生低浓度的臭氧，因此限用于食品处理工艺。诸如废物处理或纸浆脱色处理中需要较高臭氧浓度，因而就要用电晕或放电方法。
由于空气不纯，利用空气发生臭氧时，臭氧的浓度限制在4(重)%左右。利用纯氧能提高浓度，但纯氧可能是一种价格贵的原料。因此理想的是在臭氧为一定目的使用后，使所排出的含氧气体进行再循环，当这些气体再循环时，必须将各种杂质从再循环气流中去除，以保持臭氧发生工艺中有一个最小的效率。
从臭氧发生再循环气流中去除包括二氧化碳在内的各种杂质的技术中，有许多不同的公知方法，例如，第3，151，943号美国专利公开了一种提纯臭氧发生装置中的排出的氧气的方法。这篇文献是那些认识到杂质影响臭氧发生效率但没论述杂质含量与发生效率的具体关系的已有技术中的典型。通常，杂质被看成置换氧气的冲淡剂。
第3963625号，第3748262号和第4430306号美国专利公开了使用如沸石和硅酸铝这样的分子过滤物或者吸附剂，以去除臭氧发生再循环装置中的杂质的方法。第4287130号和第4399292号美国专利各公开了采用逆流的方式，通过使用如氢氧化钠之类的碱性物质来进行洗涤，以从再循环气流中去除有机化合物的方法。第4287130号专利还探讨了使用碳酸氢盐洗涤以去除二氧化碳，以及放出废气中的无机化合物。美国专利第4132637号公开了一种臭氧废气处理装置。在该装置中，只有一部分“废气”再循环至臭氧发生器中，从而减少了供气中的杂质量。
除了上述文献，美国第2700648号，第3421999号和第3715430号专利还各自公开了尽管不使用再循环装置，仍可去除发生臭氧的供气中的二氧化碳的方法。第3715430号和第3421999号专利使用活性炭过滤器。第2700648号专利则考虑利用使用氢氧化钠或碱石灰的吸附器或洗涤器。
这些文献探讨了上述所有描述方法和装置，以去除再循环气流中的各种杂质，或者消除发生臭氧的供气中的二氧化碳。然而，这些文献中没有一篇探讨了杂质的含量或者杂质的去除。而且，没有一篇揭示了在与木纸浆的臭氧脱色关联的条件下，臭氧的发生以及再循环气体的改善。第4279694号美国专利展示了纸浆脱色工艺中臭氧再循环装置的方框图，但并没有揭示操作细节。同上述那些文献一样，它也没有探讨杂质去除的程度。采用臭氧纸浆脱色法会产生高含量的二氧化碳，这一含量在已有技术公开的各种装置中显然并未加以正确估价。
已有技术预言，在整个运行范围内臭氧发生效率与二氧化碳含量没有什么特别关联。正如其它杂质的情况一样，二氧化碳起初被视为一种冲淡剂，简单地认为由于它使存在的氧气量减少而对臭氧发生造成有害影响，在《化学进展丛书》第21卷的第309-10页(美国化学协会，1959年3月)的《臭氧化学与技术》部分，Cromwell与Manely在所著“气态冲淡剂对从氧气中产生臭氧的能量产出的影响”一文中阐明，当输入气体中二氧化碳浓度在10(重)%以内时，能量产出(每单位能量产出的臭氧)可以期望几乎没有损失。这在该技术中已被普遍接受。
除了二氧化碳含量和氧气总纯度以外，臭氧的生成效率还取决于许多其它因素。内贝尔在《化学技术百科全书》第16册第693-96页的臭氧部分(约翰.威利父子出版1981年第三版)对各种因素的总体影响做了讨论。认为在已讨论过的各种因素中，发生器大小、功率密度以及流速对发生的成本有着最直接的影响。这样，在较高的二氧化碳含量下维持视在生成效率便成为了可能。然而，增大发生器，降低功率密度或减低实际流速虽维持了视在的效率，但同时投资费用增加了，或是产生率降低了。其结果是臭氧发生设备和再循环装置的成本效益并没有真正地得到全面提高。
因此，本发明的目的是，在纸浆脱色过程中，以利用臭氧发生器的全部产出能力的方式来使臭氧再循环装置运行。在实践中发现纸浆脱色过程中所实际产生的二氧化碳量比以前指出的要多。同时，二氧化碳对臭氧发生效率的影响也比已有技术所认为的要大。因此，本发明用于去除足量的二氧化碳和其它杂质，以防止它们在纸浆脱色过程中在臭氧再循环气流中聚集起来。它的优点在于以一个较小的发生器便可保持比以前更高的臭氧发生效率，从而减少操作该装置的所有费用。
根据本发明，该工艺过程一般包括以下几个步骤为臭氧发生器提供含有氧气的供给气体。从含氧气体中产生臭氧，以生成富含臭氧的氧气，其中臭氧浓度最好达到约6(重)%。用富含臭氧的气体使纸浆脱色，从而产生包括相当大量二氧化碳的杂质组成的废气。从废气中去除杂质以产生再循环气体。再循环气体被导入臭氧发生器，以至少提供一部分用于产生臭氧的含氧供给气体。为使臭氧发生器达到或至少接近满负荷运行，须从废气中去除足量的二氧化碳以产生再循环气体。去除的量最好使二氧化碳在供给气体中的浓度保持在6(重)%以下。
本发明的一个优选实施例中，二氧化碳是通过对部分废气进行提纯来去除的。未提纯部分则混入了新鲜的含氧气体而形成为再循环气体。这一混合气便形成供给气体，随后引入臭氧发生器中。
在本发明的另一优选实施例中，去除二氧化碳的方法则是使废气通过一加压摇摆吸收装置。
本发明的一个更优选实施例则用碱性物质逆流洗涤废气，从而去除二氧化碳。碱性物质则可以从与纸浆和脱色过程关联的渠道中便利地获得，比如氧化性透明碱液。
本发明的一个更优选实施例则是通过将至少一部分提纯后的废气导入脱水压榨机的罩中而利用这部分提纯后的废气，该脱水压榨机位于纸浆处理的气流之中，在脱色反应器的上游部分。它通过挤压脱水来提高纸浆的浓度。当纸浆受到挤压后再膨胀时，它通常要吸取四周以氮气为主的空气。这些氮气将与纸浆一起被送入纸浆脱色反应器中，形成从反应器排出的废气的一部分。然而，通过导入至少部分富氧废气至脱水压榨机中，四周的空气得到了替换，氮气便不能大量进入纸浆中了。
本发明还包括这样一个装置，它可以在提高纸浆浓度的同时减低纸浆中氮气的浓度。该装置包括以下两个装置，其功能分别为通过去除其中的液体来提高纸浆浓度;形成大体上围绕并接触提高了浓度的纸浆的富氧气体敷盖层。在纸浆中由于提高浓度的装置的作用而产生的空隙便被富氧气体注满。用罩子来包围纸浆浓度提高装置便可以产生富氧气体敷盖层。该装置还包括一可以将富氧气体导入罩内的装置，其中富氧气体最好是从相关的臭氧再循环装置中产生的废气的一部分，其中含有至少80%的氧气。
纸浆浓度提高装置至少有两个压纸浆的辊子。由于有这些辊子，纸浆便如上文所言膨胀起来，在纸浆粒子中形成空隙，该空隙随即又被富氧气体充满。
通过下面详尽描述的由附图所示的实施例，本发明的特点和优点可以显而易见。


图1是概略地表示本发明的方法的流程图。
图2是描绘臭氧产生(生成效率)与供给气体中二氧化碳含量之间的关系的曲线图。其中臭氧产出单位为磅/千瓦小时，二氧化碳含量用(重)%表示。
图3是本发明两种不同的优选实施例的示意图，它们基本上利用相同的设备。
图4是本发明的一个更优选实施例的示意图。
图5是本发明的另一优选实施例的示意图，其中提纯过的废气被导入脱水压榨机的罩中。
图6是本发明改进后机罩的脱水压榨机的部分剖开的透视图。
图7是图6装置沿7-7线的部视图。
图1中的流程图展示了本发明的基本方法，纯氧、氧气与空气的混合物或者提纯后的空气构成的补充气体从氧气-空气入口10注入本装置。它们与再循环气流混合，形成臭氧发生器14的供给气体12，从臭氧发生器14中出来的富臭氧气体15与臭氧反应器18中的纸浆16混合，以进行脱色处理。脱色后的纸浆20和废气22从臭氧反应器18中排出，然后使废气22流过杂质去除步骤24。用依照本发明的一系列不同方法来去除杂质26。杂质26去除后，再循环气体28在干燥器30中得到干燥。干燥后的再循环气体32随后被引入臭氧发生器所用的供给气体。
去除的各种杂质包括二氧化碳、一氧化碳、多种碳氢化合物和残留的臭氧。如需要，其它杂质也可去除。特别是，如果氮随纸浆或引入的气体进来了，亦能得以去除。纸浆脱色处理本身并不产生氮这种副产物。依据本发明而进行的杂质去除的各具体步骤在下文有更详尽的说明。
正如上文所述，在已有技术中，杂质仅看成一种冲淡剂。冲淡剂有置换供给气体中的氧气并由此减少其中存在的将转变为臭氧的氧气数量的简单作用。但是，申请人却证明二氧化碳是一种特别有害的杂质，也就是说，已发现，除去冲淡剂的作用外，输入臭氧发生器内的供给气体中的二氧化碳对臭氧的产生还有一种负效用。
二氧化碳的实际作用如图2所示。如下文所述，它表明臭氧发生的能量产出与臭氧发生装置的供给气体中的二氧化碳含量之间的相互关系，曲线X表示已有技术所述的该系统中二氧化碳对能量产出的影响。显然，所述的作用在有意义的范围内是极小的。而且，关于流速与二氧化碳含量对效率的影响方面，已有技术对二者之间的相互作用并未加以评论。这是因为已有技术只把二氧化碳视为冲淡剂。事实上，有关臭氧发生器中各种气体冲淡剂的影响方面的开拓人Cromwell和Manely)(在本发明的背景部分已提及)，把氩气和二氧化碳在浓度达到约10%以内时的作用视为相等，认为这两种气体对能量产出影响甚微。
与已有技术所述的微小变化相反，曲线Y和Z表示申请人测定出的供给气体中二氧化碳造成的臭氧能量产出的实际损失。曲线Y表示设计流速的二分之一，曲线Z则表示设计流速。已有技术所述的不准确性便立即显而易见，因为当臭氧发生器中高压放电时二氧化碳有意想不到的反应，因此一般认为与简单的冲淡剂相比，在能量产出上二氧化碳的影响便存在着如此大的偏差。在这意想不到的反应中二氧化碳转变成一氧化碳，并在该过程中耗用了否则应为臭氧发生而使用的能理。由于二氧化碳/一氧化碳反应是一可逆反应，这便导致了负作用的增加。因此，在一氧化碳重新转化为二氧化碳时便有额外能量的损失，并且随着该反应的循回往复而耗用更多的能量。
图2所示本发明的各数据点是由一台小型试验性臭氧发生器提供的，该发生器设计完备，具体流速约为0.83磅/小时·英尺2，操作频率约在600～800赫兹之间，操作电压约10000伏。图2中所表明的关系与发生器的大小无关，更大的发生器也适用这一关系。本试验用发生器乃市场上可买到的ABB/OZOnia OF219L型发生器的按比例缩小型。但是，商业用发生器的具体流速约为0.93磅/小时·英尺2。两种流速的差异是由按比例缩小生产规模造成的。
对本领域普通技术人员来说，显然，发生器参数在本发明范围内。可以根据本文所公开的已知关系而变化。特别是臭氧发生器的大小、功率密度及流速可以视所需装置而调整。这里所述参数决非用以限制本发明的适用范围。
臭氧在上述条件下脱色纸浆，在脱色过程中每磅臭氧可以产生0.1～0.5磅二氧化碳，该参数通常在0.18～0.46磅范围内，最标准的量约为0.23磅。其典型结果是每吨空气干燥(ADT)的纸浆脱色可以产生3.3磅二氧化碳。申请人测定，为获得最佳脱色，在设计流速的条件下输入纸浆脱色反应器的气流中臭氧的浓度应不低于约6(重)%。在申请日期为1990年10月26日，申请号为07/604，849的美国专利中描述了一套合适的脱色方法和反应器，该专利特别写在这里以兹参考。
为达到这一臭氧浓度，供给气体中二氧化碳的浓度不应超过6(重)%。二氧化碳浓度降至6(重)%以下对产出效率就没有负效应了。然而，把浓度降到这一水平以下会造成收益的减少，并且会在事实上降低综合成本效益，这是由于不必要地去除过量的二氧化碳而增加了费用。
由臭氧脱色纸浆而产生的二氧化碳量是相当可观的，通常要比其它已有技术臭氧应用中所产生的二氧化碳量多许多，例如，据生产者说，上述的优选的臭氧发生器能够以设计流速生成浓度为6(重)%的臭氧，条件是只要供给气体中的氧气纯度保持在85(重)%(或更高)，在这里忽略其余15(重)%的补充气体不计。然而，如果图1所示的再循环装置中包括以上这些发生器，并且根据已有技术提纯部分废气法来去除杂质和加入氧气补充气体使供给气体中氧气总浓度保持在85(重)%，则供给气体中的二氧化碳浓度便可能提高至约9.3(重)%。根据已有技术，在例Ⅰ中显示的这一浓度是可以接受的。在这一二氧化碳浓度下，如果不有效地减低流速，上述臭氧发生器便不能产生浓度为6(重)%富含臭氧气体。
有许多已知的方法可以用来提高从臭氧发生器出来的气体中臭氧的浓度。在已有技术中最直接的办法是提高臭氧发生器的输入功率。但是，由于功率密度提高时会造成臭氧发生效率的减低，所以应找到用该方法臭氧浓度不能进一步提高时的功率密度值。功率增大的同时还带来成本的增加。已有技术中的另一个办法是增大发生器的尺寸，这样，通过使发生器在较低功率密度下运行从而提高效率。已有技术的另一解决办法是减低通过发在的流速，但是尽管浓度得以提高了，产生的总的臭氧量却由于流速较低而减少了。
由于产出能力的下降，或是投资或是操作费用的增加，上述已有技术的每种技术方案都导致臭氧产出费用的增加。这些费用提高的原因便在于不能使发生器满负荷运行。当臭氧发生器在给定发生器大小、功率密度和流速的条件下产生最大值的臭氧浓度时便达到了满负荷运行。这样，提高浓度的唯一途径便是改变其中一个参数，并由此导致产出能力的减少或者操作或投资费用的增加。每一种变化的实际作用与当考虑到臭氧产生的总量而增大发生器尺寸所产生的作用是相同的。
因为由于以前二氧化碳的作用未被认识，全负荷运行未被利用，在这些情况下增大发生器尺寸的作用在于形成多余的或超量的生产能力。采用本发明的指导，用来补偿二氧化碳的效用而采用的超量生产能力便可被忽略。两种可能的有利选择所产生的结果是(1)可以减小发生器尺寸以使之满负荷运行，由此减少装置的投资费用;或(2)通过利用在已有技术条件下发生器浪费掉的负荷能力，来保留发生器的大小，以备进一步提高产出量。第二种选择对已有装置特别有用。通过本发明的指导，使用该已有装置便可以提高产出量，而不用建立一套新的臭氧发生装置。
图3表示本发明一个优选实施例，在该实施例中，通过连续地提纯部分废气便可以控制二氧化碳的含量。为方便参考，下文提及的实施例便称为“提纯本身”的实施例。图3所示的装置中，氧气补充气体40与干燥后的再循环气体86混合在一起形成供给气体42。供给气体42被引入臭氧发生器44中，此后，富臭氧的氧气46通过臭氧反应器48，在反应器中对纸浆50进行脱色，脱色后的纸浆52从臭氧反应器48中排出，废气54被引入逆流洗涤器56中。
逆流洗涤器56使用水58作为清洗液，使废气中夹杂的纸浆纤维进入到溶液60中。本领域的技术人员会以这种方法操作逆流洗涤器。
从洗涤器56出来的废气用压缩机加压并将之导入热分解设备68和催化分解设备72中以进行首次杂质去除。这些设备均可以在市场上买到并且为本领域的技术人员所熟知。热分解设备68去除由脱色处理和残余的或未用过的臭氧产生出的一氧化碳。从反应器中出来的残余臭氧被认为是一种杂质，因为它不能被重新导回再循环气流干燥器84中，也不能被释放入大气中。催化分解设备72可去除碳氢化合物以及任何残存的一氧化碳。
装置中二氧化碳含量由在提纯步骤76处提纯部分废气来控制。被提纯的部分形成提纯气体70。在提纯步骤76之后，与废气74相比，再循环气体78的总量便被减少了提纯气体70这么多量。二氧化碳与其它杂质的重量百分比浓度便稳定在74与78之间。当补充气体40与减少了的再循环气体相混合时，供给气体42中二氧化碳浓度便保持在所需的预定水平。
在提纯步骤76之后，再循环气体78便在冷却装置80中进行冷却。然后将冷却后的再循环气体82引入装有干燥剂的干燥器84中，该干燥器用氧化硅胶与分子筛来去潮并且产生干燥的再循环气体86。冷却装置80与装有干燥剂的干燥器84都同样是可在市场上买到的设备，操作方法为本领域技术人员所公知。
现在描述本发明的另一优选实施例，该实施例实质上利用与图3所示相同的设备。但是，该实施例中逆流洗涤器56使用一种碱性洗涤物质56(而非仅使用水)来去除二氧化碳以及夹杂的纸浆纤维。优选的洗涤物质包括苛性钠(NaOH)。熟石灰(Ca(OH)2)以及氧化性透明碱液(OWL，其中每1立方英尺含NaOH约6.7磅。)其它碱性混合物亦可适用于此。
使用上述可以产生3.3磅Co2/每吨空气干燥的纸浆的纸浆脱色反应器，要去除95%的Co2/每吨空气干燥的纸浆所须要的碱性物的质量为苛性钠-5.69磅熟石灰-5.27磅氧化性透明碱液-6.35加仑在本实施例中(下文称“碱性洗涤”实施例)，为了控制总的氧气纯度而保留了提纯装置，这是由于存在与纸浆或废气一起导入的氮气和/或随废气导入的氩气。氮气和氩气确实起冲淡剂的作用。这样为保持氧气纯度就必须控制它们的浓度。所要求的提纯度在下文的实施例中有更详尽的描述。
碱性洗涤实施例特别适于在纸浆脱色工艺中使用。因为在制浆与脱色装置中存在着丰富的碱性源。例如，从与制浆装置有关联的溶出碱液回收工艺之中可以提供氧化性透明碱液。苛性钠的一个提供来源可以是纸浆脱色排出步骤(“E”)。一小部分可被轻易地转入碱性洗涤器以去除二氧化碳。
图4表示根据本发明的一个可供选择的更加优选的实施例。在该实施例中，原料气体100被引入臭氧发生器44中，从而为在臭氧反应器48中脱色纸浆50提供了富臭氧气体102。此外，脱色后的纸浆52从反应器48中排出，废气108被引入水洗涤器56，夹杂的纸浆纤维进入溶液60中，象图3那样，废气依旧通过压缩机64，获得的压缩气体再通过热分解设备68。但是，在通过热分解设备68后，废气被引入加压摇摆吸收装置(PSA)116之中，在这里二氧化碳及其它杂质得以去除。
加压摇摆吸收装置取代了图3中的催化分解设备。正如其它实施例中一样，与在加压摇摆吸收装置中去除的杂质的种类及其含量有关，通过提纯步骤76可排走不同量的提纯气体70，一定量的氧气补充气体40被注入进去以代替包含提纯气体的被去除的杂质。通常加压摇摆吸收装置的实施例的操作与碱性洗涤的实施例相类似，因为通过与提纯步骤76不同的方法，二氧化碳从装置中去除了。
适用于加压摇摆吸收装置116的设备通常是可以从市场买到的。所选择的吸附剂必须按这里所说的标准去除二氧化碳。对于其它的杂质，本领域的普通技术人员可以选择并组合各种吸附剂，以达到总的杂质去除所要求的标准，这取决于其它杂质存在的情况。通常如氧化硅胶，活性铝土和沸石，或者它们的混合物作为吸附剂都是合适的。有关吸附剂材料的一个优选的组合是将用于去除二氧化碳和氮气的5A分子筛与用于去除碳氢化合物的氧化硅胶相结合。
尽管二氧化碳含量被视作一个特别明显的问题，其它杂质，特别是氮的冲淡作用也是不容忽视的。图5所示的本发明的一个更优选的实施例是直接针对这一问题的。在这个实施例中，来自提纯步骤76的提纯气体70被引入围住脱水压榨机132的外罩130中。提纯气体还可以被引入排料槽143中的纸浆流49中(见图6)。压榨机132在纸浆47进入反应器48之前实质上是通过在两个滚子之间的缝隙之间压挤纸浆以挤出水来，从而提高纸浆的浓度。因为纸浆纤维素是有弹性的，它们在脱离压榨机滚隙时形成一个膨胀的纸浆层。此时，所有纸浆周围的空气都被吸入由于纸浆的海绵状膨胀而形成的纸浆纤维的空隙中去了。通过向罩130引入提纯气体70，提纯气体便将纸浆包围，取代了原来的空气。因此，由于在离开压榨机滚隙之后，纸浆颗粒膨胀起来，纸浆的空隙就被只含15%左右冲淡剂的提纯气体充满。否则在纸浆周围的空气包含79%的冲淡剂，主要是氮。在离开充满气体的压榨机罩130之后，纸浆49被导入一个合适的反应器的进料装置，如螺旋输送器134。纸浆50从输送器134最终被送入反应器48。
通过将提纯后的废气70再循环进入压榨机罩130，离开臭氧反应器48的废气中的氧气含量能比不把提纯气体输入脱水压榨机的罩内的氧气含量高得多。因此，在很多条件下，将提纯气体引入脱水压榨机可降低进入臭氧发生器的原料气中的氧气补充的需要，从而大量节省费用。通过这个办法可以保持原料气中氧气的总的纯度，与此同时，二氧化碳含量必定如前所述保持在低水平上。在某些情况下，不需要用掉脱水压榨机中所有的提纯气体(见例ⅠⅤ)，因为大量的杂质，特别是二氧化碳，会随着纸浆再次进入装置。如果事实果真如此，就只需将一部分或不将提纯气体引入脱水压榨机。出口133和控制阀135和137使经过严格控制的数量的提纯气体70进入脱水压榨机，以使氧气纯度和二氧化碳含量达到均衡。
除了提纯气体以外，可使用任何富氧气体(即，气体内的氧含量至少为50%，最好为80%或更多)。如用氧气浓度大于周围空气的载氧气体代替周围空气，只要所选的气流中不含大量的二氧化碳，就可以取得好的效益。
再看图6和图7，表示出本发明的一个设备的实施例，这一设备用从臭氧再循环装置的提纯步骤来的废气形成敷盖层包围在脱水压榨机内的纸浆。在图6和图7中描述的应用于本发明的脱水压榨机132，在本领域已是熟知的，因此在此不必详述。这里只需说明，纸浆50从至少一个纸浆入口138进入箱体136，继而填满位于机内的箱体136。在箱体136中的纸浆在压榨机辊子140之间受压脱水，以便从较低的浓度提高到高浓度。提高后的浓度为25%到50%，在40%到50%之间更好，最好是在42%左右。电动机142使压榨机滚子140作同步的反向转动。高浓度的纸浆49通过排料槽143从罩130流出，于是它被输入上述的反应器供料装置。槽143以某种方式封闭，以防止纸浆中的杂质进入大气。
提纯后的废气70从管144进入槽143，并相对纸浆49反向流动。废气70于是完全充满了罩130内的空间，敷盖着从辊子140间流出的纸浆。如上面所述，由于纸浆颗粒49在离开滚子140时膨胀起来，纸浆内的空隙被富氧废气所充满，这种氧气含量较高而冲淡气体含量低的纸浆被最终导入臭氧反应器48，排气管146排出废气以防止罩130内压力过高并排掉讨厌的蒸气。一个装在排气管146内的排气风扇(未示出)从罩130中排出蒸气并将其导入脱色清洗装置(未示出)以去除硫磺的气味。以上所描述的这类罩可以用例如由玻璃纤维增强的塑料制成，这种塑料可以从瑞典的ABofSundsvall的SundsDefibrator或其它地方买到。尽管为方便起见，在附图中只表示出了一个压榨机，但如有必要，本发明的工作过程中可以使用不只一个脱水压榨机。
实例通过参见以下非限定性的实例，可对本发明有进一步的理解。这些实例是建立在数据的基础上的，而这些数据则是由依照本发明的臭氧发生和循环装置的计算机模型得出的。这些实例用根据只用于说明本发明目的上述的优选实施例的臭氧发生装置来说明本发明的去除杂质的原理。因此，在下面的实例中参见“臭氧发生器”就是指优选实施例的。按照本发明的指导，本领域的通技术人员能够很容易地将以下实例中说明的原理推广到其它臭氧发生装置中去。
在下面的各例子中，作为模型建立的补充气体含有大约99.5(重)%的氧，0.25(重)%的氮，和0.25(重)%的氩。输入的补充气体的数量以在298°K时每分钟标准立方英尺(scfm)表示。每一个表格都表示气体各成份的重量百分比浓度，只有甲烷＊是以百万分率(ppm)表示的。表格中的气流位置与图3和图5中相应的标号所标示出的位置对应。具体地说，42标示臭氧发生器的供气;54即废气;74则是经过首次去除杂质的废气;而循环气(净化后的)则由78指示。所提供的提纯是实际提纯率，也即，它们指示在提纯步骤76从装置中实际去除的量。
例Ⅰ例Ⅰ说明了当依照已有技术的指导操作如图3所示的一个循环装置时所显示出的杂质含量。正如前述，已有技术只将二氧化碳作为冲淡剂。因而，已有技术指出，只要使供给气体中氧气的含量保持在约85(重)%，臭氧发生装置即可产生富含臭氧的气体，其中臭氧含量在6(重)%。这个氧气纯度可通过在提纯步骤76提纯约12%的废气来达到。表格A给出了在这些条件下操作的装置中不同指示位置的氧气和杂质的含量。
表A气流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54废气78.89.55.80.30.4910.25.174废气78.810.05.80.00.091.90.25.178循环气79.610.15.90.00.091.90.24.242供给气体85.09.35.40.00.091.90.20.0提纯率12.0%输入的补充气体251.2标准英尺3/分在这些条件下，输入臭氧发生器(在42)的供给气体中的二氧化碳浓度平均可达到9.3(重)%。已有技术指出这个低于10%的量对臭氧发生无甚影响。然而，如前述及图2中所示，二氧化碳的这个浓度确实会对臭氧发生的效率产生明显的影响。尽管氧气纯度为85(重)%，但臭氧发生器已不能满负荷运行且无法在上述条件下产出6(重)%的富含臭氧气体。
例Ⅱ例Ⅱ说明了按本发明的指导来操作图3的装置中的提纯本身的装置。为了保持供给气体中二氧化碳浓度在6(重)%左右，以使臭氧发生器满负荷运行，提纯率应稳定在18.5%左右。表B显示了在这些条件下氧气和杂质的含量表B气流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54废气83.76.63.80.30.290.40.25.174废气83.97.03.80.00.090.90.25.178循环气84.67.03.90.00.090.90.24.242供给气体90.46.03.40.00.090.90.20.0提纯率18.5%输入的补充气体378.4标准英尺3/分在比较了表A和B之后，可以充分认识到二氧化碳的重要作用。在表A中，尽管氧气纯度象已有技术要求的那样保持在85(重)%，但二氧化碳浓度上升到19.3(重)%而臭氧发生器无法满负荷运行。相比之下，依照本发明控制操作过程以使二氧化碳浓度保持在约6(重)%，氧气纯度便升至90(重)%。这个纯度比所需要的为高，但这是二氧化碳浓度被控制在6(重)%低水平上的结果。在这些条件下，可以使用含氧量低的更便宜的补充气体以节省费用。
例Ⅲ例Ⅲ说明了通过将补充气体引入图5的脱水压榨机而降低对补充气体的需要带来的收益。然而，在本例中，提纯率仍然是依照已有技术的方法来加以控制的，即，只考虑把氧气纯度维持在85(重)%。只要提纯率有8.3%即可得到这一纯度。表C显示了在这些条件下操作装置氧气和杂质的含量表C气流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54废气79.614.10.30.30.693.10.35.074废气79.515.00.30.00.093.90.35.078循环气80.315.10.30.00.093.90.34.142供给气体85.014.40.30.00.093.90.30.0提纯率8.3%;经脱水压榨机输入补充气体174.7标准英尺3/分对补充气体的数量需要明显地降低了。与例Ⅰ相比，尽管也是按照已有技术将氧气纯度维持在85(重)%，补充气体却由251.2标准英尺3/分降至174.7标准英尺3/分，对于要求产出的臭氧的重量百分比比较低(即1-3%左右)的应用场合，则可节省大量补充气体。尽管如此，在设计流速下，上述的优选的臭氧发生器仍无法产出6(重)%的臭氧，因为，由于仅注重了氧气的纯度，二氧化碳的浓度则已升到约14.4(重)%。
例Ⅳ例Ⅳ说明了依照本发明在如图5所示的将提纯的气体充满脱水压榨机罩内情况下，提纯本身的装置的操作表D显示了设备中氧气和杂质的含量表D气体位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O
54废气87.36.60.20.30.390.90.25.174废气87.47.00.20.00.090.90.25.178循环气88.27.10.20.00.090.90.24.242供给气体93.56.00.30.00.090.80.20.0提纯率19.2%;经注入脱水压榨机输入补充气体402.8标准英尺3/分在提纯本身的装置中，废气中的二氧化碳浓度平均达到7(重)%左右。这个比较高的二氧化碳含量在提纯气体中仍显示出来。当提纯气体随同纸浆被脱水压榨机再次引入装置时，相当数量的二氧化碳便进入到循环气流中去。因此，尽管通过脱水压榨机引入提纯气体能把氮基本上从装置中去除掉，仍需有一个稍高的提纯率19.2%(相对于例Ⅱ中的18.5%)，随纸浆再次进入装置补偿二氧化碳。在这个较高的提纯率下，供给气体中二氧化碳的含量保持在6(重)%，因此臭氧发生装置可以满负荷运行。
例Ⅴ例Ⅴ说明了依照本发明图3中的碱性洗涤装置的操作。在本例中，我们假设碱性洗涤装置的效率为90%。也就是说，它将进入洗涤器的二氧化碳的90%除掉了。在这种情况下，大量的二氧化碳被除掉了，因此它的浓度已不再成为决定提纯率的因素了。而只须要约4.8%的提纯率就可保持供给气体中所必须的氧气纯度。表E显示出了氧气和杂质的含量表E气流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54废气79.50.214.50.30.188.50.35.3
74废气79.70.314.50.00.088.90.35.378循环气80.40.314.60.00.088.90.34.442供给气体85.00.314.40.00.088.90.30.0提纯率4.8%;90%碱性洗涤输入的补充气体121.9标准英尺3/分本例中，作为一种冲淡剂随纸浆进入的氮应是必须洗涤掉的首要的杂质。低提纯率实现必要的氮去除。
例ⅤⅠ例ⅤⅠ说明书了具有按照本发明图5所示的脱水压榨机的罩的碱性洗涤装置的操作。如在例5中所述，假设清洗率为90%。由于用脱水压榨机罩内的氧置换了氮，在装置中氮的总量已明显地下降了。只用约1.5%的实际提纯率就可得到97.4(重)%的氧纯度。表F显示出了氧和杂质的含量表F气流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54废气92.10.21.10.30.190.51.15.174废气92.40.31.10.00.090.91.15.278循环气93.20.31.10.00.090.91.14.342供给气体97.40.31.10.00.091.01.10.0提纯率1.5%;将提纯气体引入脱水压榨机碱性洗涤效率在90%输入的补充气体53.1标准英尺3/分由于加入的补充气体的数量减少了，这直接导致提纯率降低，因而，可以明显地节省费用。与例Ⅴ中所需的121.9标准英尺3/分的补充气体相比，本例中只需53标准英尺3/分的补充气体。
例Ⅶ例Ⅶ则是说明按照本发明不将提纯气体注入脱水压榨机的罩内的碱性洗涤装置的操作。洗涤效率也假定为90%。然而，为与例Ⅵ进行对比，须确定一个提纯率以保证氧在供给气体中的纯度为97.4(重)%。为了得到与例Ⅵ中相同的氧纯度，而又不向脱水压榨机的罩中引入提纯气体，提纯率需为27.8%左右。在这个提纯率下，输入的补充气体为604.8标准英尺3/分-为例Ⅵ中的十多倍。表G显示了装置中氧和杂质的含量表G气流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54废气91.40.22.70.30.190.00.25.274废气91.60.32.70.00.090.00.25.278循环气92.50.32.70.00.090.00.24.342供给气体97.40.32.70.00.090.70.20.0提纯率27.8%;碱性洗涤率90%;
输入的补充气体604.8标准英尺3/分通过对比例Ⅵ和Ⅶ，可以看出将提纯气体引入脱水压榨机的罩中的优点。
以上对所包含的这些优选的实施例的详细说明绝不限制本发明的保护范围。通过以上对二氧化碳的作用的举例加说明，本领域的技术人员就可以在此基础上选择杂质去除参数和加入的补充气体的正确组合，以在具体的臭氧发生装置的操作中提高其使用效率并增加费用上的节约。以上所描述的各优选的实施例并不互相抵触。例如，本发明中的加压摇摆吸收装置可以用来清除提纯装置的提纯了的循环气体中的杂质。而后经加压摇摆吸收装置清洗过的提纯气可以直接注入脱水压榨机罩或臭氧发生器。显然，对本领域的普通技术人员而言，只要不脱离本发明的宗旨和范围，对以上所描述的各种结构的各种不同的改动和组合都是可能的，本发明的保护范围将在下面的权利要求书中加以限定。
权利要求
1.一种改善臭氧纸浆脱色工艺中的臭氧气体再循环气流的方法，包括向臭氧发生器提供一种含氧供给气体；用所说的供给气体产生臭氧，从而生成一种富含臭氧的氧气体；用所说富含臭氧氧气来给纸浆脱色，从而产生一种包含二氧化碳等杂质的废气；去除至少一部分所说杂质以产生再循环气体；将所说再循环气体引入臭氧发生器，从而提供至少一部分所说含氧的供给气体；和在所说去除杂质步骤中去除二氧化碳，去除的量足以使臭氧发生器满负荷或接近满负荷运行。
2.如权利要求1所述的方法，还包括控制所说的杂质去除的步骤，以维持含氧供给气体的氧气含量为一预定值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于从废气中去除的二氧化碳的量使供给气体中的二氧化碳浓度保持在约6(重)%或更少。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的纸浆脱色步骤中，每消耗一磅臭氧就产生0.1到0.5磅二氧化碳。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，去除的二氧化碳的量不大于使臭氧发生器满负荷或接近满负荷运行所需要的量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说去除杂质的步骤包括提纯一部分废气;用未提纯过的那部分废气形成再循环气体;将所说的再循环气体与含氧气的新鲜空气混合来形成供给气体，保持该供给气体中二氧化碳含量低到使臭氧发生器可以接近满负荷运行。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，被提纯的废气至少占废气的18%。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所说的去除杂质步骤还包括用一种碱性材料去除所说废气中的二氧化碳。
9.如权利要求8所述的方法，还包括从一种木材捣浆装置碱液回收设备来获取碱性材料。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所说的碱性材料是苛性钠、熟石灰、氧化性透明碱液或它们的混合物。
11.如权利要求10所述的方法，还包括从一个连带的纸浆脱色工艺的提取步骤的氢氧化钠源提供苛性钠。
12.如权利要求8所述的方法，还包括在所说洗涤之后进一步提纯所说废气的5%;及以一种恒定的纸洗速向臭氧发生器供给一定量的含氧气的新鲜空气，供给的量基本上等于所说被提纯的废气量和通过洗涤去除的二氧化碳量。
13.如权利要求6所述的方法，还包括在所说的脱色之前提高纸浆浓度;在所说纸浆浓度提高步骤的至少一部分过程中，至少将一部分提纯过的废气引到纸浆周围，用所说的废气置换纸浆周围的空气;用所说废气填充所说的纸浆颗粒之间的空隙;以及将所说的提高了浓度的用废气填充了空隙的纸浆引至纸浆脱色步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于高达20%的废气被提纯，并被引至纸浆浓度提高步骤，并且，所说废气中的氧浓度大于80(重)%。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的去除杂质步骤包括使废气流经一种能吸附二氧化碳的吸附剂。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于吸附剂是沸石，氧化硅胶或活性铝土，或它们的组合物。
17.如权利要求15所述的方法，还包括将吸附剂盛在一个压力摇摆式吸附装置中。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于所说的去除杂质的步骤还包括提纯一部分废气;用未提纯的所说的废气部分形成再循环气体;将所说再循环气体与含氧气的新鲜空气混合来形成供给气体;以及保持供给气体中二氧化碳浓度低至使臭氧发生器接近满负荷运行的程度。
19.一种改善臭氧纸浆脱色工艺中的臭氧气体再循环气流的方法，包括向臭氧发生器提供含氧的供给气体;用所说含氧的气体产生臭氧，以产生一种富含臭氧的氧气，其臭氧浓度约为6(重)%;用所说富含臭氧的氧气给纸浆脱色，从而产生包含二氧化碳等杂质的废气;去除废气中的杂质以产生再循环气体;将所说再循环气体引入臭氧发生器，从而提供至少一部分供给气体;以及在所说去除杂质步骤中去除废气中的二氧化碳，去除量足以将输入气体中二氧碳浓度保持在6(重)%左右或以下。
20.如权利要求19所述的方法，还包括控制整个杂质去除过程，使供给气体的含氧浓度在85(重)%左右或以上。
21.一种在纸浆臭氧脱色处理之前减少纸浆中杂质的方法，包括在一个纸浆浓度提高步骤压榨纸浆，通过去掉其中的水分而提高浓度;在纸浆浓度提高步骤中使纸浆膨胀而在纸浆中造成许多空隙;在所说提高了浓度的纸浆外围形成一个富含氧气的敷盖层，其含氧浓度至少在50%左右，因而这些气体基本上接触到全部压榨后的纸浆;用所说的这种气体填充到所说提高了浓度的纸浆的空隙中;将所说提高了浓度的纸浆输送到一个臭氧-纸浆反应区，以使其与臭氧和氧气的混合气起反应，在此区域，由于纸浆空隙中充满了这种富含氧气体而减少了所说提高了浓度的纸浆中的杂质含量。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于所说的富含氧气体的含氧量至少为80(重)%。
23.如权利要求21所述的方法，还包括在所说臭氧-纸浆反应区使提高了浓度的纸浆与所说气体混合物接触，通过与所说的臭氧反应来去除其中相当大部分的木质而使纸浆脱色，与此同时，由于与纸浆反应而消耗掉相当大部分臭氧，从而，产生出一种脱色纸浆和一种富含氧的废气;以及至少将一部分这种富含氧废气引至浓度提高步骤，以形成包围纸浆的富氧气体。
24.一种在纸浆臭氧脱色工序之前减少纸浆中杂质的方法，包括在一个纸浆浓度提高步骤压榨纸浆，通过去掉其中的水分而提高纸浆的浓度;将这些提高了浓度的纸浆和一种由臭氧和氧气组成的混合气体输送到一个臭氧-纸浆反应区;在所说臭氧-纸浆反应区使提高了浓度的纸浆与所说混合气体接触，通过与所说的臭氧反应来去除其中相当大部分的木质而使纸浆脱色，与此同时，由于与纸浆反应而消耗掉相当大部分臭氧，从而产生出一种脱色纸浆和一种富含氧的废气;以及提纯一部分所说富含氧的废气，其量为20%的体积，将这部分提纯过的废气引至纸浆浓度提高步骤，并使其形成一个包围提高了浓度的纸浆的敷盖层，这样，这些提纯后的废气基本上接触到压榨后的全部纸浆而填充到提高了浓度的纸浆的空隙中。
25.一种降低纸浆中氮气浓度同时提高纸浆浓度的装置;包括通过除去纸浆中的水分来提高纸浆浓度的装置;当纸浆浓度增加时提供大体上包围和接触所说提高了浓度的纸浆的富氧气体敷盖层的装置;使富氧气体充入纸浆的空隙中。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于富含氧的气体提供装置包括将纸浆浓度提高装置封闭起来的罩子，以及将至少含约80%氧气的一种富氧气体引入该罩子的装置。
27.如权利要求25所述的装置，其特征在于所说纸浆浓度提高装置包括至少有两个压辊的压榨纸浆的装置，当纸浆从辊中出来时其颗粒膨胀，从而使这些颗粒中的空隙中基本上充进所说富氧气体。
28.如权利要求25所述的装置，还包括连续不断地去除包围纸浆的气体的一部分以防止由所说的纸浆产生的蒸气积累的装置。
29.如权利要求28所述的装置，其特征在于所说的去除包围并接触纸浆的气体敷盖层的一部分的装置包括有排出气体的装置和一个与此出口装置相配合的，加速这部分气体排出的排气扇。
30.一种降低纸浆中氮气浓度同时提高纸浆浓度的装置，包括至少两个用来使通过其间的纸浆去除液体而使纸浆浓度得到提高的辊子;当纸浆浓度提高时使富含氧的气体基本上包围并接触纸浆，从而使富含氧的气体充入纸浆空隙中的罩子装置;一个臭氧纸浆脱色和再循环装置，它包括一个给一个纸浆脱色反应器提供一种含氧/臭氧气体的臭氧发生器，所说反应器接纳提高了浓度的纸浆和含臭氧/氧的气体，以生产脱色的纸浆和富含氧的废气，和一个用于将一部分所说的富氧废气引入所说的罩子装置的提纯装置。
31.如权利要求30所述的装置，还包括与所说罩子相连通的出气装置，用来防止由于所说的纸浆通过所说辊子之间时在所说罩子中所产生的蒸气积累。
32.如权利要求30所述的装置，其特征在于所说的至少两个辊子具有压榨脱水部分。
全文摘要
一种在臭氧纸浆脱色工艺中改善臭氧气体再循环气流的方法，其特征在于，再循环气流中的二氧化碳含量得到控制，从而使臭氧发生器能满负荷运转。控制二氧化碳浓度的具体方法，包括提纯一部分再循环气流，用一种碱性溶液对再循环气流进行逆流洗涤，再循环气流流经一种吸附材料。通过将比较富氧的提纯过的再循环气流导入可使纸浆浓度提高的脱水压榨机，可以减少进入该装置的杂质。采用这种方法，包围纸浆的氮气被氧气置换，因此不与纸浆一起进入脱色/臭氧装置。
文档编号D21C9/18GK1072469SQ92105010
公开日1993年5月26日 申请日期1992年5月23日 优先权日1991年8月1日
发明者J·约瑟夫, M·A·皮库林, W·H·弗兰德 申请人:友联坎普专利控股有限公司