Geum.ru

Международная научно-практическая конференция цбп россии взгляд в будущее

Вид материалаДокументы

Содержание


Варка древесной щепы
Выпаривание черного щелока
Сжигание щелоков
Библиографический список
Подобный материал:
Международная научно-практическая конференция

ЦБП России – взгляд в будущее




В.Г. Казаков

Санкт-Петербургский государственный

технологический университет

растительных полимеров


ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ


Потребление энергии является одной из основных статей в себестоимости целлюлозы. Необходимость в дополнительном потреблении энергии при наращивании производственных мощностей требует допол-нительного ввода энергетических мощностей (строительство паровых котлов, расширение ТЭЦ). Наиболее перспективным вложением капитала является совершенствование тепловой схемы технологического процесса. Этим путем возможно получение быстрой прибыли при минимальных затратах. Немаловажным фактором является то, что рационализация тепловой схемы, а, следовательно, и вложение капитала, может осуществ-ляться не сразу в полном объеме, а последовательно шаг за шагом.

Из различных способов получения целлюлозы следует выделить сульфатный способ. В этом способе организован непрерывный способ варки, освоены элементы регенерации теплоты. Все остальные технологии получения целлюлозы включают те или иные элементы аппаратурного оформления сульфатного способа получения целлюлозы.

Поэтому рассмотрим основные направления развития тепло-технологии (теплотехническое оформление технологического процесса) в процессе производства целлюлозы по сульфатному методу. Выводы, полученные для сульфатного метода не ограничивают общности рассуждений и могут быть использованы при совершенствовании теплотехнологии в других способах получения целлюлозы.

Согласно технологии получения целлюлозы сульфатным способом основными энергопотребляющими технологическими процессами являются:

- варка древесной щепы на целлюлозу;

- двухстадийное выпаривание черного щелока: на первой стадии концентрирование осуществляется до 50-60 % сухих веществ, на второй – до 80 % и более сухих веществ;

- сжигание черного щелока от 80 % до плавленого состояния.

Основным направлением развития теплотехнологии производства целлюлозы в настоящее время и предполагается в будущем – создание технических решений, аппаратов и систем автоматизации, позволяющих кардинально снизить энергозатраты и повысить производительность энергоиспользующих аппаратов в процессах производства целлюлозы.


Варка древесной щепы

Варка древесной щепы даже при непрерывном способе в установках типа Камюр составляет величину ~ 2,7 ГДж/т целлюлозы. Подвод энергии в форме тепла от внешнего источника на варку определяется в первую очередь низкой степенью регенерации теплоты целлюлозной массы в технологическом процессе и несовершенством аппаратурно – технологической схемы.

Снижение расхода пара с ТЭЦ в рассматриваемом процессе может быть обеспечено путем непосредственного теплообмена между суспензией сваренной целлюлозы при реакционной температуре и суспензией древесного щелока, поступающего на варку. При этом недогрев суспензии древесного щелока до реакционной температуры, как показывают наши расчеты, составляет 5-15 град. против 100 град. в существующей схеме. Соответственно соотношению недогревов в предлагаемой и существу-ющей схемах сокращается и расход пара с ТЭЦ на варку древесины. Повышение степени регенерации теплоты и перевод технологической схемы с двухпоточной на однопоточную позволит снизить расход пара с ТЭЦ в этот процесс на порядок. Термодинамический КПД рассматри-ваемого процесса может достигать уровня 90 % и выше. Приведенная величина термодинамического КПД свидетельствует о высоком уровне организации теплопроцесса. С точки зрения термодинамики здесь все возможности по сокращению расхода пара с ТЭЦ практически исчерпаны. Некоторая перспектива по дальнейшему снижению расхода пара открывается путем интенсификации технологии, направленной на снижение гидромодуля, повышения извлечения целлюлозы и др.

Рационализация теплотехнологии в процессе варки древесной щепы в полном объеме диктует необходимость проведения научно-исследова-тельских и опытно-заводских работ в следующих направлениях:

1 – создать конструкцию теплообменника для обмена тепловыми потоками между суспензиями древесной щепы и целлюлозы. Конструкция теплообменника должна отвечать требованиям эксплуатационной надеж-ности его работы, обеспечивая предотвращение инкрустирования теплообменной поверхности и забивки твердой фазой транспортируемых труб и застойных зон.

2 – разработать метод приготовления суспензии древесной щепы и его аппаратурное оформление, обеспечивающие транспортировку суспензии в варочные котлы по однопоточной схеме.

3 – совершенствовать аппаратурно - технологические схемы варки древесины на целлюлозу, исключив недостатки существующих аппаратов типа Камюр: громоздкость оборудования, эксплуатационные сложности, вызванные установкой внутренних устройств, в том числе забивание циркулирующих сит, зарастание стенок котлов и др.

В качестве направления для рассмотрения по совершенствованию аппаратурно-технологической схемы можно рекомендовать схему (рис. 1), состоящую из цепи последовательно установленных пустотелых цилиндров - автоклавов. Схема разделена на контур нагрева и реакцион-ную выдержку. Количество автоклавов выбирается из технологически необходимой выдержки при заданной температуре.

4 – разработать технические решения по выводу лигнина из маточного раствора варки черного щелока с последующим его использованием после соответствующей подготовки в качестве оборотного раствора для варки древесной щепы.





Рис. 1. Принципиальная аппаратурно - технологическая схема варки

древесной щепы на целлюлозу с высокой регенерацией

теплоты сваренной целлюлозы:

1 - теплообменник нагрева древесной щепы; 2 - пропиточный

автоклав; 3 - реакционный автоклав


Успешное решение перечисленных проблем позволит:

- организовать замкнутый цикл по раствору в условиях глубокой регенерации сваренной целлюлозы, а, следовательно, существенно снизить энергозатраты на варку и выпаривание;

- отказаться от такого энергоемкого и экологически опасного технологического передела как сжигание щелоков;

- расширить сферы использования лигнина. К одним из перспективных направлений по решению этой проблемы следует отнести сорбционный метод.

Совершенствование теплотехнологии варки древесной щепы на целлюлозу в условиях однопоточной схемы и замкнутого растворного цикла следует отвести ведущую роль в организации теплотехнологии производства целлюлозы в целом.


Выпаривание черного щелока

Процесс выпаривания черного щелока в настоящее время ведется, главным образом, в противоточных 6 - 7 ступенчатых схемах выпаривания, укомплектованных выпарными аппаратами с принудительной циркуля-цией. С термодинамической точки зрения процесс теплопередачи при выпаривании характеризуется высоким термодинамическим КПД и отвечает современным требованиям. Снижение термодинамического КПД выпарной установки обуславливается, по крайней мере, тремя процессами:

- подводом электроэнергии на создание принудительной циркуляции раствора в выпарных аппаратах;

- дросселированием пара с ТЭЦ от давления отбора турбин до давления в кипятильнике первого корпуса выпарной батареи;

- отводом энергии пара вакуумного корпуса в форме тепла окружающей среде.

К недостаткам процесса выпаривания следует отнести низкую поверхностную плотность теплового потока, что ограничивает производительность выпарных батарей.

Основной причиной низкой поверхностной плотности теплового потока при теплопередаче в кипятильниках выпарных аппаратов является инкрустирование теплообменных поверхностей накипью различного химического и минералогического состава (органические соединения, содосульфатные осадки, накипь на основе сульфата кальция и др.).

Решение проблемы работы выпарных установок и теплообменного оборудования варочных котлов в безинкрустационном режиме может развиваться в следующих направлениях:

- химическая обработка исходного раствора с целью образования из соответствующих ионов другого кристаллического вещества, менее растворимого в сравнении с накипью, образующейся на теплообменной поверхности. В этом случае такое вещество [1] можно выделить из раствора до процесса выпаривания (например, сульфаты кальция перевести в фосфаты кальция);

- физическая обработка нагреваемого раствора. В качестве примера, можно привести [2] катодную поляризацию теплообменной поверхности;

- физико-химическая обработка раствора. Этот способ заключается в обработке раствора поверхностно-активными веществами (ПАВ). В нашем случае в качестве ПАВ могут выступать полиорганосилоксаны [3,4], например, на основе полиэтилсиликоната натрия. В этом способе на теплообменных поверхностях образуется антиадгезионная жидкая пленка, которая препятствует кристаллизации накипи на центрах кристаллизации (микрошероховатостей) этих поверхностей. Способ практически «всеяден», так как работает для широкого класса накипеобразующих компонентов, что и определяет его эффективность применения.

С целью научно обоснованного ведения процесса выпаривания, с позиций предотвращения накипеобразования, необходимо изучить растворимость кристаллизующихся веществ в функции температуры и концентрации раствора черного щелока в рабочем диапазоне процесса выпаривания.

Предотвращение инкрустирования теплообменных поверхностей позволяет интенсифицировать процесс выпаривания при сохранении или даже некотором увеличении термодинамического КПД выпарной установки. Основа интенсификации процесса выпаривания - эффективное использование полезного температурного напора. Температурный напор будет определяться температурой насыщения при давлении пара отбора ТЭЦ и температурой раствора вакуумного корпуса. В настоящее время полезный температурный напор существенно занижен против возможного из-за интенсивного инкрустирования кипятильников выпарных аппаратов. В связи с этим, решение проблемы инкрустирования позволяет увеличить поверхностную плотность теплового потока, а, следовательно, производительность процесса выпаривания.

Предотвращение инкрустирования теплообменных поверхностей увеличивает среднеэксплуатационный коэффициент теплопередачи в кипятильниках выпарных аппаратов, открывает перспективу использования выпарных аппаратов с падающей пленкой (трубчатых или пластинчатых) и, таким образом, обеспечивает повышение термодина-мического КПД выпарной установки. Процесс в выпарных аппаратах с падающей пленкой характеризуется коэффициентом теплопередачи близким к процессу в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией. При этом затраты электроэнергии значительно меньше. Кроме того, эти аппараты менее чувствительны к пенящемуся раствору черного щелока. Однако, выпарные аппараты с падающей пленкой могут быть рекомендованы только при решении вопросов, связанных с инкрустированием теплообменных поверхностей. Это объясняется тем, что в этих аппаратах процесс кристаллизации проходит в пленке раствора вблизи теплообменной поверхности. В выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией процесс кристаллизации развивается как в объеме раствора, так и на ограничивающих поток стенках теплообменной поверхности. Особенно остро эта проблема стоит для второй стадии выпаривания [5], при концентрировании раствора от 50-60 % до 80 % сухих веществ, в связи с интенсивным инкрустированием поверхности теплообмена содосульфатными осадками.

Отметим, что выпаривание черного щелока характеризуется большим потреблением пара с ТЭЦ. Высокий термодинамический КПД процесса не позволяет решить задачу снижения расхода пара от внешнего источника путем повышения внутренней регенерации теплоты в процессе выпаривания.

Наиболее эффективным путем в решении этой проблемы является снижение количества выпаренной воды и привлечение, в качестве теплоносителя, в процесс выпаривания отработанной теплоты технологических установок. Первое направление, в первую очередь, связано с разработкой и освоением эффективных способов промывки целлюлозы. К таким способам можно отнести промывку целлюлозы [6] на ленточных фильтрах, где промывочной воды расходуется в два раза меньше, чем при использовании барабанных фильтров. Второе направление рассмотрим в следующем разделе.


Сжигание щелоков

Целью сжигания щелоков является регенерация химических соединений, главным образом минеральной части. В этом процессе происходит окончательная сушка черного щелока до сухого вещества. При этом с дымовыми газами удаляется значительное количество влаги в виде водяных паров. Исходя из этого, концентрирование черного щелока до сухого состояния проходит 3 стадии:

- первая стадия – концентрирование щелока до 50-60 % сухих веществ в 6 - 7 ступенчатых выпарных установках;

- вторая стадия – до 80 % и более в двух - трех ступенчатых выпарных установках;

- третья стадия – сушка раствора до сухого состояния в содорегенерационных котлах.

Суммарная теплота перегретых паров в дымовых газах и физическая теплота сухих дымовых газов составляет ~ 4,7 ГДж/т целлюлозы, что сопоставимо с подводимой теплотой греющего пара с ТЭЦ, направляемой в процесс выпаривания черного щелока (~ 4,5 – 5,0 ГДж/т целлюлозы).

Из приведенного анализа следует, что использование теплоты паросодержащих дымовых газов [7] для выпаривания черного щелока (особенно на первой стадии) - крупный резерв по снижению потребления пара с ТЭЦ на выпарке. При этом повышается термодинамический КПД содорегенерационного агрегата. Одна из возможных схем выпаривания приведена на рис. 2.





Рис. 2. Принципиальная аппаратурно - технологическая схема выпарки

черного щелока на основе использования теплоты уходящих

газов СРК:

1 - выпарной аппарат; 2 - циркуляционный насос; 3 - газоосушитель;

4 - дымосос; 5 - мешалка - нейтрализатор; 6 - сгустительный конус;

7 - увлажнитель газа


Заключение

Перспективы теплотехнологии в будущем процессе производства целлюлозы определяются повышением степени регенерации теплоты процесса, организацией замкнутого растворного цикла и рационализацией водного баланса. Основные проблемы, решение которых обеспечивает поставленную задачу, включают:

- развитие теории термодинамического анализа и его применение для всех энергопотребляющих технологических процессов отдельно и теплотехнологии в целом;

- повышение степени регенерации теплоты в процессе варки древесной щепы и сжигания щелока с использованием паросодержащих дымовых газов для выпаривания черного щелока, направляемого на выпаривание в выпарных установках;

- повышение производительности теплообменного оборудования на основе безинкрустационного режима его работы;

- рационализация водного баланса с целью снижения количества выпариваемой воды;

- организация замкнутого растворного цикла с оптимизацией технологических параметров (концентрации каустической щелочи, реакционной температуры и времени выдержки).

Выполнение работ в рассмотренных направлениях позволит сделать качественный скачок в конкурентоспособности продукции по себе-стоимости целлюлозы и обеспечит наращивание производственных мощностей действующих производств. Это особенно важно в условиях роста цен на исходное сырье. Кроме того, производство целлюлозы выйдет из ряда производств с высоким потреблением энергии.

Успешное решение теплотехнологии в производстве целлюлозы потребует совместных усилий специалистов, работающих в области производства целлюлозы: теплоэнергетиков, химиков, технологов, специалистов в области физической химии, химии древесины, процессов и аппаратов, контроля и автоматизации технологических процессов.


Библиографический список
  1. Казаков В.Г., Николюк А.В. Пути повышения производительности выпаривания сульфитных щелоков: . Выпарные станции и содорегенерационные котлоагрегаты: Сборник тезисов докладов научно – практического семинара. С – Петербург, 3 – 4 августа 2006г.
  2. А.С. № 567933. Теплообменный элемент аппарата, работающего на инкрустирующих средах. Л.Ф. Вербов, В.Г. Казаков, Н.С. Мальц и Н.Г. Потапов. 05.08.77. БИ №29.
  3. А.С. № 500290. Ингибитор накипеобразования. Г.А. Казаков, В.Г. Казаков. 25.01.76. БИ №3.
  4. Казаков В.Г., Потапов Н.Г. Применение кремнийорганического ингибитора при упаривании алюминатного раствора // Цветные металлы. 1982. №8. С.39-41.
  5. Кристофер Л. Верилл. Регенерационный цикл крафт - целлюлоз-ного производства. Выпарные станции и содорегенерационные котло-агрегаты: Тез. докл. научно-практического семинара. Санкт-Петербург, 3 - 4 августа 2006 г.
  6. Непенин Ю.Н. Производство сульфатной целлюлозы. В 3 т. Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. М.: Лесная промышленность, 1990. Т. 2.
  7. Казаков В.Г. Выпаривание растворов в процессах химической технологии. Энергоресурсосбережение, оптимизация энергопотребления и обеспечение экологической безопасности на предприятиях бумажной, деревообрабатывающей, химической и нефтехимической промышлен-ности: Тез. докл. V-ой научно-практической конф. Санкт-Петербург, 15 - 17 мая 2006 г.