專利名稱：一種造紙黑液半焦制備方法
技術領域：
本發明涉及制漿工業技術領域，尤其涉及一種制備造紙黑液半焦(black liquor char)的方法。
背景技術：
制漿工業常用的黑液處理設備是堿回收鍋爐，由于堿回收鍋爐投資較大、熱力學 效率較低，并且存在熔融物遇水爆炸危險，近30年來，業界一直在開發多種替代技術，其中 黑液氣化技術被認為是較有前景的替代方案。黑液氣化技術一般被劃分為低溫氣化和高溫 氣化，前者多采用流化床工藝，運行溫度一般低于700°C ；后者一般采用氣流床工藝，運行溫 度一般高于900°C。2004年9月公開的美國專利20040182000給出了一套黑液低溫水蒸氣氣化的工 藝。該工藝的核心是一臺鼓泡流化床，以過熱蒸汽作為流化介質和氣化劑。濃縮的黑液被 均勻地噴涂于床料上發生快速干燥和熱解，殘余的半焦被蒸汽流化并發生氣化反應，固體 物料在爐內的停留時間一般需要約20小時。該技術的優點之一是制漿化學品以固體形式 回收確保了安全性。為了保證流化床順利運行，氣化爐溫度必須保持較低(大約610°C)以 使黑液無機物不致熔融，氣化所需熱量由一種特殊設計的間接加熱裝置提供。噴入爐中的 黑液發生快速干燥熱解是這種技術所采用的流化床達到成功運行的關鍵之處，然而較低的 溫度梯度限制了傳熱速率，加上黑液的較高粘性使得操作存在較大難度。2004年9月授權的美國專利US6790246是高溫氣化工藝的典型代表。黑液連同一 定量的空氣或氧氣被從爐頂噴入反應器，產生的熱量足以維持900°C以上的高溫，產生的顆 粒或熔融物則被分離后在反應器的下部溶入水中形成綠液。相比上述低溫氣化技術，此種 高溫氣化工藝在有機碳氣化速率上具有極大提高。高溫熔融物對反應器襯里的腐蝕是該技 術面臨的一大挑戰，對耐火磚的材料要求較高。加拿大專利CA1193406給出了一種直接苛化法黑液處理工藝。以氧化鐵或二氧化 鈦作為直接苛化劑，與黑液燃燒產物碳酸鈉進行脫二氧化碳反應(即直接苛化反應)，生成 固體狀態的鐵酸鈉或鈦酸鈉以及芒硝。這一方法的最大特點在于化學品不再以熔融態回 收，并且運行溫度可以保持較高。
發明內容
本發明的目的是綜合現有技術的各種優點，提供一種能夠制得黑液半焦的方法。 此種黑液半焦是一種均勻分散的、松脆的、粘性極小的固體混合物，這種黑液半焦將會適用 于比較常見的氣化爐例如流化床，也可應用于回轉窯氣化爐，在所應用的氣化爐中，黑液無 機物在接近900°C的高溫下仍能保持固體狀態，從而適應于這些氣化爐對于原料的物理性 質要求。為達到上述目的，本發明采取了以下的技術方案在黑液原料中加入直接苛化劑，并將其輸入熱解爐；所述熱解爐是一種噴霧進料、鏈式爐排的熱解爐，主要包括一個爐膛，爐膛以長方體帶拱頂為宜，外壁為鋼殼，向火面砌 筑耐火材料；爐膛底部設有一套鏈式爐排結構，提供黑液固體顆粒或液滴繼續蒸發、熱解和 /或部分燃燒的場所，并將固體產物輸出到爐體末端的低溫區域，通過爐膛下方設置的出渣 口由出渣設備繼續將其輸送到爐外；爐膛上設有至少一個霧化噴嘴，黑液和霧化介質由此 噴入爐膛并發生部分燃燒以提供熱量；爐膛上還設有配風口、排氣口等工藝接口。本發明爐膛的運行溫度可以保持較高例如800 900°C而不會產生熔融物，這是 由于在黑液原料中混入了直接苛化劑的緣故，直接苛化劑可以是二氧化鈦，也可以是三鈦 酸鈉。若將黑液中含有的Na和K元素按物質的量全部折算為Na2CO3,直接苛化劑的加入量 按照連續反應(1) (3)確定(以二氧化鈦為直接苛化劑時)，或以反應式(3)確定(以三 鈦酸鈉為直接苛化劑時)。在爐膛內部高溫(800°C以上)區域可能發生的化學反應如下<formula>formula see original document page 4</formula>(式 3)當采用TiO2作為直接苛化劑時，上述反應式(1) (3) —般被視為連續反應； 而當采用Na2O-STiOJt為直接苛化劑時，則可認為只發生了反應(3)。需要指出的是， Na2O · 3Ti02是本發明裝置在運行時需要利用的循環中間體，這種物質的作用是行使石 灰苛化的功能；形成高熔點的鈉鹽使反應系統中不出現熔融物。TiO2和Na2O · 3Ti02的 直接苛化作用在黑液熱解、氣化領域已形成了廣泛的共識(Zeng等.Tappi Journal, 2000,83(12) :53-68 ;Nohlgren 等· Nordic Pulp&Paper Research Journal,2002,17(3) 246-253)。本發明方法與現有技術利用堿回收鍋爐和黑液流化床、氣流床氣化爐相比，具有 如下技術特點1、進料方式上濃縮黑液(固形物含量50%以上)與直接苛化劑(二氧化鈦或三 鈦酸鈉)固體粉末混合后由霧化空氣同時噴入爐膛。2、堿回收方式上不以獲得碳酸鈉熔融物為目的，也不獲得固體狀碳酸鈉(在前 述流化床低溫氣化工藝中，這種固體產物中含有少量的未轉化有機碳)，而是以獲得黑液熱 解和/或部分燃燒產生的半焦為目的。這種產物中均勻地分散著直接苛化劑粉末，未轉化 有機碳約占黑液固形物中有機碳總量的1/2。產物呈現出松脆的性狀，適用于常見的流化床 氣化爐，還可用于回轉窯氣化爐，在氣化爐中繼續完成有機碳轉化和碳酸鹽脫二氧化碳等 反應，不需要石灰循環即可完成堿回收。3、運行溫度上爐膛中上部控制在800 900°C，在有直接苛化劑二氧化鈦(或三 鈦酸鈉)存在的條件下，這一溫度范圍將不會產生熔融物，這一特點將使得爐膛耐火磚的 壽命極大提高，且對耐火磚材料要求也極大降低，使用粘土質耐火磚或高鋁質耐火磚均可； 為保護爐排金屬，緊貼爐排的半焦層溫度可控制在600°C以下或更低。4、能源獲取方式上產生的煙氣隨著配風比的變化將具有不同的成分，但熱值并 不高，一般低于2MJ/m3，且含有硫化氫、有機硫化合物、焦油和水蒸氣等產物。這種氣體回收 顯熱對傳熱設備受熱面損害較大，包括腐蝕和積碳，且含硫化合物排放到大氣中既不符合 環保要求，也造成了硫酸鹽制漿流程的硫損失。因此，產生的氣體也將通入一種氣化爐，如回轉窯氣化爐，在這種氣化爐里焦油和有機硫將有絕大多數被裂解，水蒸氣將參與有機碳 氣化反應。
圖1是熱解爐結構示意圖(主視圖)；
圖2是熱解爐結構示意圖(左視圖)；圖3是爐墻示意圖(爐體上部放大，左視圖)。附圖標記說明爐排鏈拉緊螺栓1，爐排主動鏈輪2，爐排鏈3，爐膛4，噴嘴安裝口 5，出渣口 6，爐排從動鏈輪7，排氣口 8，爐殼鋼板9，配風口 10，可壓縮保溫材料層11，耐火 澆注料層12，耐火磚層13，進料噴嘴14。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做詳細的說明見圖1、2、3，本發明使用的熱解爐是一種噴霧進料、鏈式爐排的熱解爐。所述的熱 解爐主要包括一個長方體帶拱頂的爐膛4，外壁為爐殼鋼板9，其爐壁結構依次包括可壓縮 保溫材料層11、耐火澆注料層12、耐火磚層13，向火面砌筑耐火磚層13，爐膛4末端上部設 有排氣口 8 ；爐膛4頂部設有至少一個霧化噴嘴安裝口 5，霧化噴嘴安裝口 5安裝進料噴嘴 14，黑液和霧化介質由此通過霧化噴嘴14噴入爐膛并發生部分燃燒以提供熱量；爐膛底部 設有一套鏈式爐排結構，由爐排鏈拉緊螺栓1、爐排主動鏈輪2、爐排鏈3、爐排從動鏈輪7組 成，鏈式爐排結構提供黑液固體顆粒或液滴繼續蒸發、熱解和/或部分燃燒的場所，并將固 體產物輸出到爐體末端的低溫區域，以便出渣設備通過出渣口 6將其輸送到爐外；在爐膛 側面靠近爐排鏈3處設置有配風口 10，其位置靠近爐排從動鏈輪7 —側，也可多個配風口 10沿爐排鏈3運動方向排列；爐排鏈3未端可設有灰渣刮除裝置(圖中未示出)。濃縮黑液(固形物含量50 60%)同直接苛化劑相混合，若采用TiO2，則TiO2與 M2CO3(M代表黑液中的堿金屬Na和K)物質的量比控制在約5 4，若采用Na2O · 3Ti02，則 Na2O · 31102與M2CO3物質的量比控制在約5 7。所述混合物被泵送至進料噴嘴14處，在 這里這種固液兩相混合物被霧化空氣或氧氣噴入已預升溫的爐膛4中。在爐膛的高溫下， 黑液迅速發生蒸發干燥、熱解乃至氣相燃燒等變化，產生的熱量用以維持爐膛的溫度，一般 控制在800 900°C。噴嘴14可安裝1到多個，噴灑角需保證沒有物料沖刷爐墻耐火磚13。 在保證良好霧化的前提下，霧化空氣或氧氣量以不高于理論需空氣量或理論需氧量的60% 為宜。未燃盡的顆粒或少量液滴將落于位于爐膛下部的爐排3上。一般而言，由于黑液的熱 解膨脹特性，爐排3上將會附著一層松脆的、蜂窩狀的黑液半焦層，因而設計合理的爐排可 確保較少的漏渣量。從爐膛4上部掉落的未燃盡產物將隨爐排3 —起向熱解爐后方移動。 從配風口 10進入爐膛的空氣將再燃燒一部分有機碳以均衡爐膛4溫度，但維持爐膛4溫度 的熱源主要來自于噴嘴14處的燃燒。氣相產物通過爐膛4末端上部的排氣口 8排出，固相 產物的停留時間取決于爐膛4縱向長度和爐排鏈3運動速度，可控制在2 5min。隨爐排 鏈3運動到出渣口6位置處的的固體產物即半焦被刮除機構(圖中未示出)刮下后通過出 渣口 6掉入灰渣斗(圖中未示出)，在這里固體終產物黑液半焦被定期或連續地由自動化出 渣機械輸送出熱解爐。
權利要求
一種造紙黑液半焦制備方法，其特征在于在黑液原料中加入直接苛化劑，并將其輸入熱解爐；所述熱解爐爐膛底部設有一套鏈式爐排結構，提供黑液固體顆粒或液滴繼續蒸發、熱解和/或部分燃燒的場所，并將固體產物輸出到爐體末端的低溫區域，通過爐膛下方設置的出渣口由出渣設備繼續將其輸送到爐外；爐膛上設有至少一個霧化噴嘴，黑液和霧化介質由此噴入爐膛并發生部分燃燒以提供熱量；爐膛上設有配風口、排氣口。
2.如權利要求1所述的造紙黑液半焦制備方法，其特征在于所述鏈式爐排結構由爐 排鏈拉緊螺栓(1)、爐排主動鏈輪(2)、爐排鏈(3)、爐排從動鏈輪(7)組成。
3.如權利要求1所述的造紙黑液半焦制備方法，其特征在于所述爐膛為長方體帶拱頂。
4.如權利要求1或3所述的造紙黑液半焦制備方法，其特征在于所述爐膛外壁為鋼 殼，向火面砌筑耐火材料。
5.如權利要求1所述的造紙黑液半焦制備方法，其特征在于所述直接苛化劑為二氧 化鈦或三鈦酸鈉。
全文摘要
本發明涉及一種造紙黑液半焦制備方法。本發明在黑液原料中加入直接苛化劑，并將其輸入熱解爐；爐膛底部設有一套鏈式爐排結構，提供黑液固體顆粒或液滴繼續蒸發、熱解和/或部分燃燒的場所，并將固體產物輸出到爐體末端的低溫區域，通過爐膛下方設置的出渣口由出渣設備繼續將其輸送到爐外；爐膛上設有至少一個霧化噴嘴，黑液和霧化介質由此噴入爐膛并發生部分燃燒以提供熱量；爐膛上設有配風口、排氣口。制備出的黑液半焦用作氣化爐原料可以提高氣化爐的易操作性；有助于黑液直接苛化技術的成功應用。所述的熱解爐具有中高溫度(800～900℃)運行、固態排渣等技術特點，爐膛耐火材料不需要特殊材質，僅需粘土質或高鋁質耐火磚即可。
文檔編號D21C11/12GK101831827SQ20101016837
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者吳創之, 周肇秋, 袁洪友, 陰秀麗 申請人:中國科學院廣州能源研究所