专利名称：转变造纸厂淤渣或类似物的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明涉及废料的转变，尤其是涉及高有机物含量和含大量灰分的淤渣(如造纸厂淤渣)的转变。
纸浆和造纸厂产生大量称为淤渣的加工废料。一般来讲，曾采用废渣埋填法来处置这些淤渣。废渣埋填空间的不断短缺以及更严格的环境条例使这种处置方法变得较为昂贵并且是不太可取了。
与从标准纸张加工中产生的淤渣相比，从再循环纸张加工中产生的淤渣存在更多的处置上的问题。来自再循环加工的淤渣包含大量的纤维和纸涂层。从纸张再循环加工过程产生的淤渣的量多于从原始纸浆中产生的淤渣的量。大量纸张再循环的出现导致了淤渣总量的增加。
作为一种废渣埋填法的替换方法，曾使用流化床锅炉技术来燃烧造纸厂的淤渣。燃烧淤渣可回收其热含量，蒸发水分并降低废料体积。然而，由于在造纸厂淤渣中高的灰含量，仍然有相当多的废料产物需要如废渣埋填法之类的方法进行处置。
许多年来，使用旋风炉燃烧煤来发动锅炉。旋风炉的一个特点是它们能产生具有玻璃态坚实的熔渣。来自燃煤旋风炉的熔渣可用于筑路材料，磨料或粗砂以及屋顶产品中。
尽管发展旋风炉是为了燃烧那些不完全适合于进行粉煤燃烧的级别的煤，但它们也曾用于燃烧作为辅助燃料的固体废燃料，或用于燃烧作为最初的、应急或起动燃料之用的燃油或气体。当废燃料与煤一起使用时，这种辅助燃料一般具有较低的灰含量，并提供小于20％的热量输入和有较少的每小时送入旋风炉的燃料磅数百分率。
本发明的概述按本发明，造纸厂淤渣或其它高灰含量的类似有机淤渣可以通过下述手段来转变，在旋风炉中使淤渣与另一种燃料源一起燃烧以回收淤渣的热含量并使淤渣的灰分转变成所需的熔渣产品。较为可取的是，第二燃料源是天然气，淤渣为旋风炉提供达40％或更多的热量输入，并且能成为每小时提供的燃料的大部分。在燃烧前淤渣的干燥处理可能是必需的。干燥至20％或更少的水分含量已证实对进入旋风炉是可接受的。在淤渣中可加入如石灰石之类的助熔剂，以确保在操作温度下产生所需的玻璃态熔渣。
按干物质计，造纸厂淤渣一般具有20-50％的高灰含量。该淤渣也含有大量的有机组成，使得按于物质计，淤渣的热值典型地为4,000 btu/lb.-7,500btu/lb。尽管造纸厂淤渣是较好的燃料源，但其它具有类似灰含量和热值的淤渣也是有用的，例如污水淤渣或其它工业废水淤渣。
淤渣的热值是由锅炉或其它与炉相连的热交换器回收的。淤渣的高灰含量残存在熔渣中，当冷却时，它将具有坚硬而持久的玻璃态坚实性，使之易于被处理以用作屋顶产品或其它有用目的之用的建筑材料，磨料。灰分中的任何重金属或其它有害或不需要的组分将被夹带入玻璃态熔渣中。
本发明的一个主要目的是提供以经济并且环境安全的方式转变造纸厂淤渣和类似物的方法。
本发明的另一个目的是提供在从淤渣的灰成分中产生有用产品的同时回收造纸厂淤渣和类似物的热值的方法。
本发明的上述和其它目的和优点将在下面的详细描述中体现。在下面描述中，将参考用于说明本发明较佳实例的所附的附图。
附图的简要说明
图1是本发明方法所用的旋风炉的纵向横截面示意图；和图2是包含在沿图1中2-2线的平面内的旋风炉的横截面示意图。
较佳实例的详细描述造纸厂淤渣在其组成上可以有很大的不同。然而，通常它具有高挥发性组分(包括高比率的碳)和高灰含量的特点。它也具有较高的热值。对三种来自纸张再循环加工过程的典型的造纸厂淤渣的组分分析，元素分析和无机物分析列于下表中
造纸厂淤渣“R”组分分析，％ 元素分析，％干物质计 干物质计灰48.64 碳 24.68挥发性物质 50.26 氢 3.76固定碳 1.10 氮 0.63100.00 硫 0.06灰 48.64Btu/lb. 4123 氧(差值) 22.23100.00硫 0.06MAF Btu 8028无机物分析以燃烧的物质计，重量％二氧化硅，SiO239.86氧化铝，Al2O334.21二氧化钛，TiO27.20氧化铁，Fe2O30.85氧化钙，CaO13.30氧化镁，MgO 1.20氧化钾，K2O0.23氧化钠，Na2O0.12三氧化硫，SO30.69五氧化二磷，P2O50.49氧化锶，SrO 0.02氧化钡，BaO 0.05氧化锰，Mn3O40.07未确定1.71100.00方法ASTM Designation D 3682-87
造纸厂淤渣“IP”组分分析，％ 元素分析、％干物质计 干物质计灰 20.21 碳 47.27挥发性物质 56.74 氢 4.40固定碳 25.05 氮 1.33100.00 硫 1.00灰 20.21Btu/lb.7734 氧(差值) 25.79100.00硫 1.00MAF Btu 9693无机物分析以燃烧的物质计，重量％二氧化硅，SiO238.85氧化铝，Al2O316.92二氧化钛，TiO21.40氧化铁，Fe2O35.07氧化钙，CaO14.94氧化镁，MgO 4.88氧化钾，K2O2.01氧化钠，Na2O1.27三氧化硫，SO38.23五氧化二磷，P2O53.24氧化锶，SrO 0.04氧化钡，BaO 0.33氧化锰，Mn3O40.39未确定2.43100.00方法 ASTM Designation D 3682-87
造纸厂淤渣“JR”组分分析，％ 元素分析，％干物质计 干物质计灰45.98 碳 25.24挥发性物质52.46 氢 3.84固定碳 1.49 氮 0.37100.00 硫 0.02灰 45.98Btu/lb. 4031 氧(差值) 24.55100.00硫0.02MAF Btu 7462无机物分析以燃烧的物质计，重量％二氧化硅，SiO240.29氧化铝，Al2O331.96二氧化钛，TiO211.60氧化铁，Fe2O30.87氧化钙，CaO 12.64氧化镁，MgO0.70氧化钾，K2O 0.11氧化钠，Na2O 0.15三氧化硫，SO30.36五氧化二磷，P2O50.20氧化锶，SrO0.05氧化钡，BaO0.05氧化锰，Mn3O40.06未确定 0.96100.00方法ASTM Designation D 3682-87上述分析表明灰含量为18-43％，挥发性物质为44-50％。以干重计，热值为4,031-7,734 Btu/lb。这些造纸厂淤渣也显示出表明在干燥样品中的良好引燃特性的燃烧性能。着火点比得上各种类型的煤。其它非常高纤维含量的造纸厂淤渣可具有低至10％的灰含量。
造纸厂淤渣在旋风炉中燃烧的中间工厂研究试验是在Babcock & Wilcox的小型模拟锅炉中进行的，后者用单个的、尺寸缩小的Babcock & Wilcox旋风炉燃烧。典型的旋风炉图示于Rackley等人于1991年6月11日公布并转让给Babcock & Wilcox Company的美国专利5,022,329的图1中。中间工厂研究试验是用造纸厂淤渣与作为助熔剂加入的石灰石的混合物和用不含助熔剂的来自单一来源的淤渣进行的。下面列出了淤渣与石灰石的混合物的收到时，燃烧时和以干物质为基准计的组分分析和元素分析数据。
造纸厂淤渣与石灰石的混合物基准收到时 燃烧时 干物质组分分析，％水分 50.79 18.34---挥发性物质 24.61 40.84 50.01固定碳 1.40 2.332.85灰 23.20 38.49 47.14总热值Btu/lb.1586 26313222Btu/lb.(无M&A) --- ---6095元素分析，％水分 50.79 18.34---碳 11.06 18.36 22.48氢 1.36 2.262.77氮 0.28 0.470.57硫 0.08 0.140.17氯 0.03 0.050.06灰 23.20 38.49 47.17氧(差值) 13.20 21.89 26.81总计100.00 100.00 100.00总的碳酸盐，％CO25.94 9.86 12.08碳酸钙，％CaCO3(计算值) 13.91 22.42 27.47
灰分析％SiO2形式的硅 31.93Al2O3形式的铝 23.32Fe2O3形式的铁 1.25TiO2形式的钛5.63CaO形式的钙 28.23MgO形式的镁 5.53Na2O*形式的钠 0.32K2O*形式的钾 0.45SO3形式的硫 1.84P2O5形式的磷 ＜0.10以％CO2计的总碳酸盐 1.34ZnO形式的锌 0.08*由火焰光度计测量湿淤渣产生操作上的问题。在进入旋风炉之前，最好将淤渣干燥至20％或更少的水分含量。在放到通向旋风炉的进料器中之前，使含石灰石的干燥过的淤渣通过3/8”的筛网。
使用占输入旋风炉总热量的约10％至约40％的淤渣热量输入来进行试验。在第一批试验中，天然气为另一种燃料源。旋风炉是热的，熔渣从熔渣排放孔流出。来自淤渣共燃烧的熔渣是固体状，硬，坚固和耐用的，且与煤在旋风炉燃烧时所得的熔渣相类似。
在成功地证明了淤渣和天然气可在小型锅炉模拟器中共燃烧之后，再以加入切碎的轮胎以减少天然气的输入来进行试验。使切碎的轮胎燃料通过1/2”筛网，与淤渣混和。试验在约10％-约20％的热量输入来自轮胎，40％的热量输入来自淤渣，以及其余的来自天然气的情况下进行。两种试验进行得令人满意。
尽管中间工厂研究试验使用的淤渣所产生的热值未达到热值的大部分，但根据质量流而言(例如每小时燃料的磅数)，淤渣超过天然气。
尽管造纸厂淤渣只含少量的重金属，这种重金属均被夹带入熔渣中，然而熔渣能通过沥出物试验。
对于单一来源的造纸厂淤渣和淤渣与作为助熔剂加入的石灰石的混合物而言，结果是相似的。
图1和2显示了用于燃烧造纸厂淤渣的旋风炉。旋风炉由气旋桶10组成，该气旋桶是一个水平的水冷却的圆柱体。气旋桶10包括次级空气进口11，如图2所示该进口呈切线方向进入气旋桶10。气体燃烧器12安装在进入气旋桶10的空气进口11处。气体点火器13与燃烧器12相邻。各个喷射器14间隔地沿气旋桶10而分布。淤渣与主空气一起通过喷射器14进入气旋桶10。主空气和次级空气使气旋桶10中的天然气，淤渣和空气发生漩流，从气旋桶10进入旋风炉15的内部。旋风炉15可以任何多种已知的方式与锅炉相连。
熔渣在气旋桶10的内表面上形成。熔融的熔渣通过熔渣流出口16，流向熔渣排放孔17，在其中放出熔融的熔渣，一般予以急冷。
由于以造纸厂淤渣为单一来源作为旋风炉的辅助燃料源来烧锅炉可能是不合适的，因而可能需要用造纸厂淤渣的混合物。淤渣可以作为淤渣转鼓干燥过程的一部分进行混和。对于大规模旋风炉的操作，淤渣的最佳大小为3/8”-5/8”。而且，为了易于操作，可能需要将淤渣压成丸。
可以不需要石灰石或其它助熔剂。是否需要助熔剂取决于由淤渣产生的熔渣粘度。衡量标准是T-250温度，该温度是熔渣粘度为250泊时的温度。若T-250温度低于旋风炉的操作温度，则不需要助熔剂。
尽管熔渣一般经急冷而被快速冷却，而后压碎以备使用，但熔融熔渣可被直接输送至模铸或成形操作中以模铸成有用的制品，如砖或瓦，或者成形为纤维状物质，如石纤维。然而，冷却后的熔渣将具有玻璃态坚固性。若需要填埋，则熔渣处于比淤渣或灰相对容易处置的条件。
污水淤渣或其它来自工业废水处理的淤渣也可使用本发明的方法来转变。这些淤渣与造纸厂淤渣有类似的挥发性组分，类似的有机物组成和类似的灰含量。典型的污水淤渣的元素分析和无机物分析在本发明的发明人于1991年10月15日公开的美国专利5,057,009中有阐述。
与处置造纸厂淤渣的其它目前已有的方法相比，旋风炉燃烧淤渣并使其灰含量转变成有用熔渣的能力是一优异的技术。使用部分干燥的淤渣(即约20％或更少的水分)在常规旋风炉中可获得最佳的结果。然而，若有合适的向旋风炉进料的设备，若在保持足够高形成熔渣的温度的同时产生蒸发水分的充足的热量，则也可用较湿的淤渣。
淤渣可形成超过50％的进入旋风炉的燃料的热值。若进入旋风炉的淤渣的水含量是低的或灰含量是低的话，这是特别理想的。同样地，加入较大量的助熔剂将降低形成熔渣所需的温度并提高由淤渣提供的热值百分数。
切碎的轮胎可与造纸厂淤渣共燃烧以减少对天然气的需求。煤和燃料油可作为辅助燃料。在所有情况下，淤渣的质量流量率都超过送入旋风炉的其它燃料的质量流量率。
大部分来自淤渣的灰将熔融成熔渣，只有小部分灰(小于5％)有可能被夹带入燃烧气体中。淤渣共燃烧产生的熔渣是固体状，坚硬而耐用的，并与在旋风炉中燃煤时产生的熔渣相类似。
权利要求
1.一种转变造纸厂淤渣或类似物的方法，它包括将淤渣与第二燃料源一起送入旋风炉中，使淤渣燃烧，回收淤渣的热值，使淤渣的灰成分转变成熔渣。
2.如权利要求1所述的方法，其中淤渣为旋风炉提供约10％-约40％的热量输入。
3.如权利要求1所述的方法，其中淤渣为旋风炉提供超过50％的热量输入。
4.如权利要求1所述的方法，其中在引入旋风炉之前，将淤渣干燥至适合于操作的含水量。
5.一种转变造纸厂淤渣或类似物的方法，它包括干燥淤渣至其含水量为约20％或更少；和在旋风炉中使干燥的淤渣与第二燃料源一起燃烧，回收淤渣的热值，使淤渣的灰成分转变成熔渣。
6.如权利要求5所述的方法，它还包括在燃烧前将淤渣压成丸的步骤。
7.一种转变淤渣中的灰分的方法，所述淤渣具有高有机物含量和以干物质的重量计约20％-约50％的灰分含量，所述方法包括使淤渣在旋风炉中燃烧，产生坚硬而耐用的含灰分的玻璃态熔渣；和从旋风炉中移出熔融的熔渣。
8.如权利要求7所述的方法，其中在燃烧前将淤渣干燥至约20％或更小的含水量。
9.如权利要求7所述的方法，其中将熔融的熔渣模铸成玻璃态产品。
10.如权利要求7所述的方法，其中使熔融的熔渣形成纤维。
11.一种给旋风炉加注燃料的方法，它包括给旋风炉加注天然气燃料；和同时给旋风炉加注造纸厂淤渣或类似物燃料。
12.一种给旋风炉加注燃料的方法，它包括给旋风炉加注造纸厂淤渣或类似物燃料；和同时给旋风炉加注一种或多种附加燃料。
13.如权利要求12所述的方法，其中淤渣提供了输入旋风炉的任一燃料的最高质量流量率。
全文摘要
在旋风炉(10)中使造纸厂淤渣或类似的高灰含量的有机淤渣与另一种燃料源一起燃烧而使淤渣转变。回收淤渣的热含量，使淤渣的灰成分转变成玻璃态熔渣。在引入旋风炉(10)之前在淤渣中可加入如石灰石之类的助熔剂。该熔渣可用于屋顶产品或其它目的之用的建筑材料，磨料。
文档编号C03B5/00GK1157652SQ95194760
公开日1997年8月20日 申请日期1995年8月17日 优先权日1994年8月26日
发明者T·M·涅奇瓦塔, T·J·詹森 申请人:米内吉有限公司