从木材制浆过程中的稀黑液中回收热的系统及方法

摘要

一种木材制浆过程，包括产生稀黑液，冷却该稀黑液以及通过将稀黑液引导通过喷雾薄膜蒸发器从其中回收热。料液或者凝结物被引导进入喷雾薄膜蒸发器，并将其喷雾到管束的外表面上。这使得料液或者凝结物被汽化并产生可以用作纸浆厂其他工艺的热源蒸汽。

说明书

发明领域

本发明涉及一种木材制浆系统和方法，尤其涉及从稀黑液中回收热 并将回收的热作为木材制浆过程中一个或者多个热源的系统和方法。

背景技术

在木材制浆过程中产生的稀黑液通常具有约15％(重量)的固体含 量，这对于燃烧来说太低了。为了提高稀黑液的固体含量，稀黑液通常 在多效蒸发器中被浓缩，直到它的固体含量达到约70-90％。然后，浓 缩的稀黑液被称为黑液。浓缩的黑液随后被引导至回收锅炉中，在回收 锅炉中，黑液燃烧并在此过程中产生灰。

在新的制浆厂设计中，期望不用将稀黑液冷却至其常压闪蒸点以 下，就可以将其从蒸煮器引导到蒸发系统。其优点在于，在蒸发系统中 降低蒸汽的使用。当前的技术是使用闪蒸罐或液-液热交换器在稀黑液 进入蒸发系统之前将其冷却。这两种方法都有缺点和不足。首先，闪蒸 罐容易起泡。另一方面，液-液热交换器易于被纤维堵塞。此外，液-液 热交换器还需要大量的冷凝水或冷却水来冷却稀黑液。

发明内容

本发明的一个实施方案涉及从稀黑液中回收热并在一个或者多个 木材制浆过程中利用回收的热的系统和方法。

在另一个实施方案中，本发明涉及木材制浆的系统和方法，其中在 这个过程中产生的稀黑液被冷却而且热由此被回收，并在多级效蒸发系 统中被用来浓缩稀黑液。在这个实施方案中，稀黑液流经喷雾薄膜蒸发 器的管子或管道，在该工艺中加热该管子。由多级效蒸发系统产生的凝 结物被喷雾到管子的外部，使该凝结物沸腾。由此产生蒸汽，该蒸汽再 被引导至多级效蒸发系统中，而随之携带的热，在该多级效蒸发系统中 被利用来浓缩稀黑液。

本发明的其他目的和优点从以下的描述和配有附图的研究中将变 得清楚和明显，这些仅仅是本发明示意性的说明。

附图说明

图1是木材制浆过程的一个示意图，其中稀黑液被冷却，并在这个 过程中，热由此被提取，并且所提取的热可以用于木材制浆操作的其他 过程中。

图2是木材制浆过程的一个示意图，其中稀黑液被引导通过位于蒸 发系统上游的喷雾薄膜蒸发器，并且其中喷雾薄膜蒸发器将稀黑液冷 却，并从中提取热，该热以蒸汽的形式被引导到下游蒸发系统。

图3是木材制浆过程的一部分的示意图，用于说明喷雾薄膜蒸发器 及其与下游多级效蒸发系统的关系。

具体实施方式

本发明涉及产生稀黑液的木材制浆过程。根据本发明，稀黑液被引 导通过喷雾薄膜蒸发器10，该蒸发器的作用是从稀黑液中回收热。从 稀黑液中回收的热被一个或多个消耗热量的过程所利用，该过程形成纸 浆厂操作的一部分。参照图1。

在一个具体实施方案中，喷雾薄膜蒸发器10被用在木材制浆过程 中，在这个过程中，喷雾薄膜蒸发器设置在蒸煮器12和蒸发系统14之 间。由蒸煮器12产生的稀黑液被引导进入并通过喷雾薄膜蒸发器10。 由通常是多级效蒸发器的下游蒸发系统14产生的凝结物(condensate)， 被引导到喷雾薄膜蒸发器10。凝结物被喷射到构成喷雾薄膜蒸发器10 的部件的管束上。稀黑液携带的热被传递到管子的表面。当凝结物被喷 雾到管子上时，该热将凝结物汽化，得到的蒸汽被收集而且被引导到下 游至蒸发系统14中，其中蒸汽可以在该蒸发系统中用于浓缩稀黑液。 参照图2。

图1和图2显示了包括喷雾薄膜蒸发器10的木材制浆过程。在详 细讨论喷雾薄膜蒸发器10的作用及操作之前，大致回顾一下典型的木 材制浆过程中的一些基本的过程是有利的。关于此，参照图1和图2。

参照图1，木屑被引导至蒸煮器12。木屑与制浆化学品混合，通常 称为白液。白液包括氢氧化钠(NaOH)和硫化钠(Na₂S)。蒸煮器12在压 力下运行，而且在典型的操作过程中，木屑在温度为160-180℃下蒸煮。 蒸煮器中的白液对木材基质中的化学有机酸进行中和。木质素和其他有 机材料溶入白液中。保留的材料是用于造纸工艺的纸浆或木材纤维。白 液从蒸煮器12排出，在排出时该白液便被称为稀黑液。

通常由蒸煮器12产生的稀黑液会被冷却。在本发明的情况下，稀 黑液通过喷雾薄膜蒸发器10冷却。此后，稀黑液被引导到由标号14所 指的下游蒸发系统。下游蒸发系统14可以包括一个蒸发器或一系列蒸 发器，例如多级效蒸发器。在蒸发系统中，稀黑液被浓缩。稀黑液通常 具有大约15％的固体含量(重量)，这对于燃烧来说太低了。通过在蒸发 系统14中浓缩稀黑液，固体含量可显著增加，这样，在回收锅炉中处 理稀黑液就是适当的。浓缩的程度可以变化，通常稀黑液浓缩至含干燥 固体约70-90％(重量)。

通常由蒸发器14浓缩的黑液其温度大约为120℃。黑液喷入回收 锅炉16，其通常工作温度约为900℃。实际上，当黑液喷入回收锅炉 16时，其被雾化成液滴，暴露于热气体中，并将经历干燥、热解和焦 炭转化。在焦炭转化结束时，液滴已经转换为熔体的小颗粒，其通常包 括无机材料、以离子形式存在的Na₂S、Na₂CO₃、Na₂SO₄和NaCl。焦炭 转化通常在熔体退出锅炉之前完成。由此产生的可燃气体被完全燃烧。 这在锅炉周围的水管中产生蒸汽。蒸汽随后在其他工艺过程中使用，并 且通常用于驱动产生电能的蒸汽涡轮。

所得熔体进入溶解罐19，其中该熔体溶解在水中以形成被称为绿 液的物质。然后绿液被送到苛化车间20，其中绿液与生石灰，CaO反 应，将Na₂CO₃转化为NaOH。在溶解罐19中形成的Na₂S，只通过苛 化车间20而未被改变。

苛化的绿液被称为白液而且大量含有NaOH和Na₂S。由苛化车间 产生的白液返回到蒸煮器12中以重复用于制浆。在苛化车间20中， CaCO₃(石灰泥)被沉淀出来。从苛化反应中沉淀的CaCO₃被清洗，并送 到石灰窑，在石灰窑中，其被加热到高温再次生成CaO以重复利用。

在木材制浆过程中，期望不浪费制浆化学品，就可以除去所得灰中 的氯和钾。达到这一目的有很多已知的方法。例如，参照美国专利申请 序列号为13/709140，题为“CRP吹扫处理”的文献，该申请的内容通过 引用直接并入本文。

返回到喷雾薄膜蒸发器10的讨论，图1和图2显示的是喷雾薄膜 蒸发器结合至木材制浆过程中。喷雾薄膜蒸发器10包括管束10A。喷 雾薄膜蒸发器10中的管子的数目可以不同，但在一个典型的应用中， 它们可能在上千数量级。此外，这些管子是比较长的，并且可以长至超 过40英尺。在一个实施例中，该管子的直径相对较小，为1.5“的量级。 管壁典型地为0.035”，但是可以理解壁厚是可以变化的。

管束10A的周边是一个壳体或外壳10B。在壳体10B的底部形成 一个储池10C，用来保持物料或凝结物。一系列喷嘴10D设置在管束 10A的上方，并通过进料管线10E输送物料或凝结物。泵10F被提供并 是可控的，用以从储池10C将物料或凝结物泵到进料管线10E。物料或 凝结物排污管线10H是可控的并用以与再循环管线10G相连，以适当 地排泄掉凝结物。在壳体10B处形成蒸汽出口和物料或凝结物进口。

返回至图1所示的实施例，喷雾薄膜蒸发器10设置在蒸煮器12的 下游。由蒸煮器产生的稀黑液被引导进入并通过喷雾薄膜蒸发器10。 进入喷雾薄膜蒸发器10的稀黑液的温度是较高的。在一个实施例中， 由蒸煮器12产生的稀黑液的温度大约为230°F。喷雾薄膜蒸发器10的 功能是冷却稀黑液，并在此过程中从其中回收热。因此，蒸发器物料， 如凝结物，被输送到喷雾薄膜蒸发器10。该物料集结并存储在蒸发器 的储池10C中。泵10F将物料泵入进料管线10E，并从此处开始被引导 到喷雾喷嘴10D。喷雾喷嘴10D将物料分散在管束10A上。喷雾到管 子的外表面(其通常可以在大约201°F的温度)的物料会沸腾或汽化，进 而产生蒸汽。参见图1，本方法有效地冷却了稀黑液，在一个实施例中， 离开喷雾薄膜蒸发器10的稀黑液温度为约203°F。产生的蒸汽在纸浆 厂运作中有许多应用。大量的耗热工艺或者组分便可以利用由喷雾薄膜 蒸发器10产生的蒸汽。

返回至图2的实施例中，从稀黑液中回收的热被用作能量源，用于 驱动下游的蒸发系统14。由蒸发系统14产生的凝结物被回送到喷雾薄 膜蒸发器10。凝结物喷射到有热的稀黑液流动的管10A的外表面上。 在这个过程中，来自稀黑液的热量使得凝结物沸腾或者气化，而稀黑液 被冷却。在喷雾薄膜蒸发器10中产生的蒸汽被引导到下游的蒸发系统 14，在那里该蒸汽被用作热源，增加了由蒸汽源供应到蒸发系统的能量。

在纸浆厂的操作中，蒸发系统14通常包括多级效蒸发器网络。在 双级效蒸发系统中，离开第一级效的蒸汽产物被用以为第二汽化单元提 供能量。这种多级串联可以继续叠加为更多级阶。在典型的多级效蒸发 系统的情况中，提供一种蒸汽源，其被用于给第一级效提供能量。由第 一级效产生的蒸汽然后被用到第二级效中，以此类推。在图2的实施方 案所用的多级效蒸发系统中，蒸发系统将产生浓缩的稀黑液，它被称为 黑液，且同时产生凝结物。由多级效蒸发系统所产生的部分凝结物被引 导到喷雾薄膜蒸发器10的凝结物入口。由喷雾薄膜蒸发器10产生的蒸 汽被引导到蒸汽出口，并被进一步引导至蒸发系统14，该系统中，有 关热量被用于为蒸发系统14提供额外的能量。

蒸发系统14的主要功能是浓缩稀黑液，使得它可以在回收锅炉16 被适当地燃烧。各种蒸发器设计都可以使用。图3给出了一个示例性的 多效蒸发器的设计和它与喷雾薄膜蒸发器10的关系。此示例性的设计， 通常简称数字14，包括七个级效并且可以是填充薄膜类型或其他合适 的蒸发器类型。为了浓缩离开喷雾薄膜蒸发器10稀黑液，由喷雾薄膜 蒸发器冷却得到的稀黑液首先被引导到第五级效中，并部分蒸发以保证 在离开第五级效时的稀黑液更浓，然后其被引导到后方的第六级效中。 在第六级效中，稀黑液被进一步浓缩。如图3所示，在第六级效中浓缩 的稀黑液然后被引导到第七级效，并从那里开始该稀黑液向前返回到第 四、第三、第二和第一级效中。因为稀黑液在各级效中都被加热和蒸发， 故在流动中，随着从一个级效向另一个随后的级效的移动，稀黑液慢慢 变得更浓。最后，由第一级效产生的浓缩物成为浓的黑液，其通常具有 大约70-90％的固体含量，并且如上所述，被引导至回收锅炉19。

为了提供能量以蒸发稀黑液，来自于蒸汽源的新鲜蒸汽通过管线 30被引导到第一级效。参见图3。该新鲜蒸汽对流经第一级效的稀黑液 进行浓缩，在该过程里，在第一级效中产生了蒸汽。由新鲜蒸汽产生的 凝结物被收集并被返回至蒸汽源。在第一级效中蒸发稀黑液产生的蒸汽 被通过管线32引导到第二级效，在第二级效中蒸汽被用作蒸发第二级 效中的部分稀黑液。在第二级效中蒸发稀黑液产生的蒸汽被经管线34 引导至第三级效，在第三级效中，蒸汽被用来蒸发第三级效中的部分稀 黑液。随着该过程的继续将如本领域技术人员所知晓的那样，第三级效 中产生的蒸汽被用作驱动第四级效，以此类推。如图3所示，蒸汽管线 36，38，40和42描绘从一个级效到紧随其后的另一个级效的蒸汽流动。 第七级效中也会产生蒸汽，其通过管线44被引导至表面冷凝器中。

如前所述，由喷雾薄膜蒸发器10产生的蒸汽可用于驱动多级效蒸 发系统14。在这个实施例中，由喷雾薄膜蒸发器10产生的蒸汽通过管 线46引导到第四级效。在这个实施例中，由第三级效产生的蒸汽和由 喷雾薄膜蒸发器10产生的蒸汽，被有效地合并而为第四级效提供能量 来源。本领域技术人员所熟知的是，根据具体情况，来自于喷雾薄膜蒸 发器10的蒸汽可以被引导到一个或多个其他级效中。在这种情况下， 由喷雾薄膜蒸发器10回收的热或蒸汽将被引导到蒸发器系列的中部附 近的级效中。这是因为，在将稀黑液存储于常压(大气压力)存储罐之前， 期望将其冷却至其大气压下的沸点之下。

蒸汽蒸发稀黑液的结果是，每个级效都会产生一种凝结物。一些凝 结物中被甲醇和其他物质污染。在该具体的实施例中，将凝结物进行合 并并且分为三个组，分别为凝结物A、凝结物B和凝结物C。

如图3所示，在本实施例中，凝结物A包括来自第二、第三、第 四和第五级效的凝结物。在本实施例中，由第六和第七级效和表面冷凝 器产生的凝结物被分成两股物流，一股是受污染较严重的，另一股是污 染较少的。如下所述，最值得关注的污染物是甲醇。在任何情况下，来 自这些来源的污染较严重的物流被合并形成凝结物C。因此，在本实施 例中，凝结物C是来自第六和第七级效和表面冷凝器的污染较严重的 混合凝结物。

如图3所示，凝结物B是来自第六和第七级效和表面冷凝器的污 染较轻的混合凝结物。在该实施例中，凝结物B的至少一部分被引导 到喷雾薄膜蒸发器10，并用于冷却流经喷雾薄膜蒸发器的稀黑液。在 一些情况下，凝结物B全部或基本上全部可以被输送到喷雾薄膜蒸发 器10。在其他情况下，凝结物B可被分离或分开，仅将凝结物B的一 部分引导到喷雾薄膜蒸发器10。

这些凝结物中的污染物来源于稀黑液的气化。而其中可能存在很多 种值得关注的污染物，其中一种特别关心的污染物就是甲醇。如图3所 示，在凝结物A中，甲醇的浓度为约50-100ppm，在凝结物B中，甲 醇的浓度为1,000ppm以下，凝结物C中，甲醇的浓度可以超过 20,000ppm。

在上面讨论的实施方案中，图中示出只有一个喷雾薄膜蒸发器10， 其冷却稀黑液并供给热给蒸发系统14。在某些应用中，或许可以有两 个或者更多个喷雾薄膜蒸发器形式的稀黑液冷却器，而来自这些喷雾薄 膜蒸发器的蒸汽可以被策略地引导并被蒸发系统14使用。

如上所述，本发明的方法可以有效地利用源自下游蒸发系统14的 凝结物，回收稀黑液中的热。此外，本发明的方法可有效地从凝结物中 去除挥发性污染物。使位于管子外面的凝结物沸腾，可以使凝结物清洁， 优先使污染组分例如甲醇挥发，并整体上减少含硫气体。

利用在木材制浆过程中的蒸发系统14上游的喷雾薄膜蒸发器10， 有很多优点。流过管子的稀黑液的流动可减少常见的液-液热交换器纤 维堵塞的问题，且如果即使有纤维堵塞管子这样的弊病，也可以简单地 加以清洁处理。此外，与液-液热交换器相比较，使位于管子外侧的凝 结物沸腾而用于热回收，是更有效的。如上所述，也可以提高凝结物的 整体质量。除此之外，该喷雾薄膜蒸发器10的利用消除了与传统闪蒸 罐相关的起泡风险。

当然，在不脱离本发明的范围和基本特征的前提下本发明也可以不 以本文所设定的方式而是以其他方式来实施。因此，本发明的各实施方 案在所有方面的解释均是示意性的而不是限制性的，在所附权利要求的 内容和等同范围内的所有改变都应当包含在本发明的范围内。