FI123100B - Menetelmä sivutuotteiden talteenottamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ SIVUTUOTTEIDEN TALTEENOTTAMISEKSI Keksinnön ala

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää massan valmistamiseksi. Tarkemmin se koskee 5 syrjäytyseräkeittoprosessia, joka sisältää höyryfaasi-esihydrolyysivaiheen, jossa sivutuotteiden talteenottoa on parannettu.

Keksinnön tausta

Esihydrolyysi-sulfaatti(kraft) keitto korkean alfaselluloosapitoisuuden omaavien erikois-10 massojen valmistamiseksi kehitettiin 1930-luvulla, ks. esim. Rydholm, S.E., Pulping Processes, sivut 649 - 672, Interscience Publishers, New York, 1968. Pääajatuksena on poistaa selluloosakuiduista mahdollisimman paljon hemiselluloosaa ligniinin poiston (delignifi-oinnin) yhteydessä korkean alfaselluloosapitoisuuden saavuttamiseksi. Tämä on olennaista, koska sellaisten massojen, esimerkiksi liukosellun, erilaiset loppukäytöt, eivät hyväksy 15 lyhytketjuisia helmiselluloosamolekyylejä, joilla on satunnaisesti haaroittunut molekyyli-rakenne.

Erillisen esihydrolyysivaiheen avulla on mahdollista säätää halutulla tavalla hemiselluloo-sien hydrolyysia vaihtelemalla hydrolyysiolosuhteita. Esihydrolyysi-kraftkeittoprosessissa 20 vaadittava delignifiointi suoritetaan vasta erillisessä toisessa keittovaiheessa. Esihydrolyysi suoritetaan joko vesi- tai höyryfaasi-esihydrolyysinä tai katalyytin läsnä ollessa. Aikaisemmissa prosesseissa puusta prosessin aikana vapautuneet orgaaniset hapot suorittavat pääosan hydrolyysistä, kun taas myöhemmässä prosessissa voidaan lisätä pieniä määriä mineraalihappoa tai rikkidioksidia esihydrolyysin ’’avustamiseksi”. Höyryfaasissa suorite-

C\J

g 25 tussa esihydrolyysivaiheessa keittimessä olevaan hakepylvääseen lisätään suoraa höyryä.

CvJ

CO

cp q Perinteisesti reaktorissa suoritetun selluloosamateriaalin esihydrolyysin jälkeen hydro- x lysaatti ja esihydrolysoitu selluloosamateriaali neutraloidaan reaktorissa alkalisella neutra-

IX

lointiliuoksella neutraloidun hydrolysaatin ja neutraloidun esihydrolysoidun selluloosama-co ^ 30 teriaalin tuottamiseksi. Hydrolysaattia on sekä vapaassa nesteessä hakkeen ulkopuolella m 5 että sulkeutuneena ja kiinnittyneenä hakkeen sisään. Haluttaessa hydrolysaattia voidaan o 0X1 ottaa talteen mahdollisimman paljon ennen neutralointivaihetta esihydrolyysissä vapautu neiden hiilihydraattien hyödyntämiseksi. Erillistä pesuvaihetta, jossa keitin täytetään ensin pesunesteellä ja sen jälkeen hiilihydraatteja sisältävä neste poistetaan keittimestä, voidaan 2 käyttää esihydrolyysivaiheen ja keittovaiheen välillä. Tämä on kuitenkin aikaa vievää, epäedullista energiatasapainon kannalta ja tuottaa erittäin laimeaa hiilihydraattiliuosta.

Julkaisu WO 2007/090925 kuvaa parannettua menetelmää lignoselluloosamateriaalin kä-5 sittelemiseksi, jossa keitin ja sen sisältö kuumennetaan ensin suoralla höyryllä ennalta määritettyyn hydrolyysilämpötilaan ja sen jälkeen keittimeen johdetaan tietty tilavuus pesunestettä toisesta päästäjä pesuneste poistetaan keittimen toisesta päästä, joka sijaitsee sisääntulopäätä vastapäätä.

10 Patenttijulkaisussa WO 2007/090926 kuvatun menetelmän mukaan hydrolysaatti otetaan talteen käyttämällä hydrolysaatin triklekerrostyyppistä (trickle-bed type) alaspäinvirtausta. Tässä menetelmässä alas valuneen hydrolysaatin ensimmäinen fraktio kerätään tuotefrak-tiona, ja toinen fraktio poistetaan keittimestä kuuman hydrolysaatin varastointisäiliöön käytettäväksi ensimmäisenä triklevirtausnesteenä seuraavassa erässä. Triklekerrostyyppi-15 sellä talteenotolla saadaan konsentroitua hydrolysaattia, mutta talteenottovaihe on liian hidas ja siksi epäedullinen massan laadun kannalta. Lisäksi käsittely on epätasaista keittimen sisällölle; on ilmeistä, että käsittelyn aikana tapahtuu kanavoitumista, neste menee sinne, minne se pääsee helpoimmin.

20 Hydrolysaatin poistamisen jälkeen prosessia voidaan jatkaa alalla tunnetulla neutralointi-keittoprosessilla.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on optimoida hydrolysaatin talteenotto esihydrolyysi- sulfaattikeittoprosessissa. Esillä olevalla menetelmällä aikaisempien prosessien haitat pys-c\i q 25 tytään eliminoimaan tai ainakin vähentämään huomattavasti. Saadaan aikaan keittimen

(M

koko sisällön tasainen käsittely, saadaan korkealaatuista liukosellua tai paperilaatuista sel-o q lua, ja talteen otettu hydrolysaatti pystytään saamaan olennaisesti rikittömänä. Olennaisesti x rikitön tarkoittaa, että keksinnön mukaan on mahdollista, että talteen otettuun hydrolysaat-

CC

tiin ei lisätä rikkiä sisältäviä nesteitä, ts. erään suoritusmuodon mukaan läsnä on vain puus-co ^ 30 ta peräisin olevaa rikkiä. Siten hiilihydraattien jatkokäsittely on helpompaa. Myös proses-

LO

° sin energiatehokkuus on otettu huomioon, o C\1 3

Keksinnön yhteenveto

Esillä olevan keksinnön mukainen syrjäytyseräkeittoprosessi massan valmistamiseksi käsittää seuraavat vaiheet: täyttämisen hakkeella, hakkeen kuumentamisen, hakkeen esihyd-rolysoinnin, hydrolysaatin talteenoton, mukaan lukien keittimen sisällön neutralointi, keit-5 timen sisällön valmistelu kraftkeittoa varten nostamalla pH:ta, ts. lisäämällä alkalista keit-tonestettä ja keittämällä vaadittavaan H-tekijään. Esillä olevan keksinnön talteenottovai-heessa, sen jälkeen kun hydrolyysivaiheessa on saavutettu tavoiteltu P-tekijä, keittimeen johdetaan kuumaa pesunestettä keittimen pohjasta. Pesuneste voi olla kuumaa vettä kuu-mavesikokoojasta. Tarvittaessa kuumaan veteen voidaan lisätä natriumhydroksidia ennen 10 kuin se johdetaan keittimeen. Keittimen kiertopumppu käynnistetään, kun kuuman pesunesteen pinnan taso keittimessä on imusihtien yläpuolella, ja kiertovirtaus keittimen yläosaan ja alaosaan aloitetaan. Kuuman pesunesteen pumppaamista jatketaan kunnes hake on pesunesteen ’’alla”. Tämä talteenottovaihe pesee höyrytysvaiheen (ts. esihydrolyysivai-heen) aikana tuotetun hydrolysaatin ja höyrykondensaatin hakkeesta pesunesteeseen liuen-15 neiden sokereiden/hiilihydraattien mahdollisimman korkean pitoisuuden saavuttamiseksi käytetyssä pesunesteessä ennen sen syrjäyttämistä kondensaattikokoojaan. Samaan aikaan esihydrolyysi lopetetaan kontrolloidusti ja estetään siten kuitulaadun heikkeneminen. Sivutuotteita sisältävä kondensaatti, ts. pesuneste, syrjäytetään keittimen yläosasta alkalisella nesteellä, kondensaatin syrjäyttäminen on talteenottovaiheen loppuosa. Keittimen sisällön 20 pH viimeistellään talteenottovaiheen jälkeen ja se voi vaihdella pH 9:n ja 12:n välillä.

Toisin sanoen esillä olevan keksinnön mukainen prosessi sivutuotteiden talteen ottamiseksi syrjäytyseräkeittoprosessissa keittimessä, joka käsittää pohjan, yläosan ja imusihtejä, menetelmän käsittäessä hakkeen esihydrolysoinnin höyryfaasissa hydrolysaatin ja höyrykon-c\j g 25 densaatin tuottamiseksi, jolloin prosessi jatkuu esihydrolyysivaiheen jälkeen siten, että c\j £ - keittimeen tuodaan kuumaa pesunestettä cp q - pesunestettä lisättäessä sitä kierrätetään imusihtien kautta keittimen yläosaan ja x keittimen pohjaan cc kierrättämistä jatketaan kunnes esihydrolysoitu hake on pesunesteen alla co ^ 30 - sivutuotteita sisältävä kuuma pesuneste otetaan talteen keittimestä ja keittimen si- m ° sältö neutraloidaan syrjäyttämällä pesuneste alkalisella lipeällä.

o c\j 4

Kuvioiden lyhyt selitys

Kuvio 1 esittää esillä olevan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen prosessin kaavioimista virtauskaaviota, jossa pesunesteenä käytetään kuumaa vettä KUUMAVESI-kokoojasta.

5

Keksinnön yksityiskohtainen selitys

Keksinnön mukainen syrjäytyseräkeittoprosessi aloitetaan täyttämällä keitin lignoselluloo-samateriaalilla, ts. hakkeella. Hakevilta saapuu hakehihnalla keitinlaitokseen ja sieltä keit-timeen(-miin) keittimen(-mien) yläosan päällä olevien hakeruuvikuljettimien avulla. Mata-10 lapaineista (LP) höyryä käytetään hakkeen hyvän tiiveyden takaamiseksi keittimen koko poikkileikkauksella. Haketäytön aikana ilmaa poistetaan imusihtien kautta. Haketäyttö lopetetaan sen jälkeen kun keittimen pinnantason säätökytkin on käynnistynyt ja kansivent-tiili (capping valve) suljetaan sitten.

15 Hakkeen kuumentaminen aloitetaan käyttämällä matalapaineista (LP) höyryä keittimen yläosasta ja keittimen pohjasta, ja kuumentamista jatketaan keskipaineisella (MP) höyryllä, kunnes saavutetaan vaadittu lämpötila, ts. 150 - 170 °C. Keitin pidetään tässä lämpötilassa ja paineessa kunnes esihydrolyysivaihe on saatu päätökseen, ts. vaadittu P-tekijä on saavutettu. P-tekijä on esihydrolyysivaiheen kontrolloimiseksi määritelty tekijä ottaen huomi-20 oon lämpötilan ja ajan (kuten esim. H-tekijän); Herbert Sixta, Handbook of Pulp, 1 osa,

Wiley-VCH Verlag, 2006, sivut 343 - 345.

Keksinnön mukaan esihydrolyysivaihe suoritetaan höyryfaasissa, jossa puun hapot hydrolysoidaan höyryllä ja keittimeen luodaan happamat olosuhteet. Höyry-esihydrolyysi-

C\J

g 25 vaiheen loppu-pH vaihtelee puulajikkeista ja itse esihydrolyysiolosuhteista riippuen. pH

CvJ

qJj mitataan tyypillisesti ulostulevasta nesteestä kuuman pesunestetäytön aikana ja se vaihtelee cp <2, 2,5:sta 4,0:aan.

X

IX

Sen jälkeen kun P-tekijä on saavutettu, aloitetaan talteenottovaihe johtamalla keittimeen co ^ 30 kuumaa pesunestettä. Kuuman pesunesteen lämpötila on 100:n ja 170 °C:n välillä, edulli-

LO

5 sesti välillä 140 -160 °C, ja sitä pumpataan keittimeen tämän pohjasta. Erään suoritusmuo- o ^ don mukaan pesunesteenä käytetään kuumaa vettä KUUMAVESI- kokoojasta, kuten kuvi ossa 1 on esitetty. Erään toisen suoritusmuodon mukaan kuumaan veteen lisätään natrium-hydroksidia ennen sen johtamista keittimeen, jos talteenottovaiheen pH:ta tarvitsee säätää 5 esihydrolyysin lopettamisen tehostamiseksi. Kun pesunesteen pinta saavuttaa imusihdit, keittimen kierrätyspumppu käynnistetään ja kierrätys keittimen yläosaan ja keittimen pohjaan aloitetaan. Imusihdit sijaitsevat normaalisti keittimen alapuoliskolla, tyypillisesti noin kolmanneksen korkeudella keittimen pohjasta. Pesunesteen pumppaamista jatketaan, kun-5 nes pesunesteen pinnan taso saavuttaa hakkeen pinnan tason, ts. koko hake on pesunesteen alla. Tyypillisesti tämä tarkoittaa, että pesunestettä lisätään noin 40 - 80 %:n määränä keittimen vapaasta tilavuudesta. Talteenottovaiheen aikana esihydrolyysivaiheen aikana muodostunut hydrolysaatti ja höyrykondensaatti huuhdotaan hakkeesta pesunesteeseen liuenneiden hiilihydraattien mahdollisimman korkean pitoisuuden aikaansaamiseksi käytetyssä 10 pesunesteessä ennen sen syrjäyttämistä kondensaattikokoojaan. Lisäksi esihydrolyysivaihe lopetetaan talteenottovaiheen aikana kontrolloidusti kuitulaadun huononemisen estämiseksi (esim. viskositeetin tai kappaluvun). Täten keittimen sisältö neutraloidaan. Jos pesunesteenä käytetään kuumaa vettä ilman natriumhydroksidin lisäystä, keittimen sisällön pH vaihtelee ennen kondensaatin syrjäyttämistä välillä pH 5-7. Toisaalta, jos pesuneste sisäl-15 tää alkalia, keittimen sisällön pH on ennen syrjäyttämistä tyypillisesti pH 7 tai enemmän.

Keittimen sisällön lopullinen neutralointi, jos ylipäätään, saavutetaan kondensaatin syrjäyttämisen aikana. Kondensaatin syrjäyttäminen aloitetaan pysäyttämällä keittimen kierrätys-pumppu ja alkamalla pumpata alkalia keittoliuoskuumentimen kautta keittimen pohjalle.

20 Kondensaatti, joka sisältää liuenneita hiilihydraatteja (ts. sivutuotteita) syrjäytetään keittimen yläosasta kondensaattikokoojaan samalla kun alkalin pumppaamista jatketaan. Neutralointiin tarvittavan alkalin määrä riippuu puuaineesta. Kondensaatin syrjäyttämisessä ja/tai keittimen sisällön neutraloinnissa voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa alkalia. Erään edullisen suoritusmuodon mukaan silloin, kun tarvitaan olennaisesti rikitöntä kondensaat-c\j g 25 tia, kondensaatti syrjäytetään natriumhydroksidilla. On myös mahdollista saada olennaises- c\j £ ti rikitöntä kondensaattia käyttämällä alkalilähteenä valkolipeää, mutta siinä tapauksessa cp q on tärkeätä varmistaa, että valkolipeää (WL) ei pääse kondensaattisäiliöön. Jos kondensaa- x tin rikkipitoisuus ei ole rajoittava tekijä, syrjäyttäminen voidaan suorittaa valkolipeällä, cc eikä ole vaarallista, vaikka kondensaattisäiliöön pääsee hiukan valkolipeää. Tyypillisesti co ^ 30 syrjäyttämistoiminnossa keittimeen johdetaan ensin alkalista nestettä tämän pohjasta keit in ° timen sisällön neutralointiin tarvittavana määränä ja se on vähemmän kuin keittimen vapaa o 00 tilavuus. Tämän jälkeen syrjäyttämistä jatketaan kuumalla mustalipeällä ja tämä vaihe on itse asiassa ensimmäinen keittovaihe. Ulostuleva hydrolysaatti johdetaan kondensaattikokoojaan, ja kun ensimmäinen syrjäytysalkali alkaa purkautua ulos, ulostuleva neste johde 6 taan kuuman mustalipeän (HBL) kokoojaan. Kondensaatin syrjäyttämisen jälkeen, ts. tal-teenottovaiheen lopussa, keittimen sisällön pH vaihtelee tyypillisesti välillä pH 9 -12.

Talteenottovaiheen jälkeen keittimen sisällön pH nostetaan yli 10:een, tyypillisesti ll:n ja 5 12:n välille alkalisen kraftkeittovaiheen jatkamiseksi. Kun vaadittava tilavuus alkalia (puulajeista riippuen) on pumpattu sisään, prosessia jatketaan pumppaamalla sisään kuumaa mustalipeää (HBL) HBL-kokoojasta keittolipeäkuumentimen kautta. Syrjäytetty neste siirretään HBL-kokoojaan samalla kun HBL-syrjäytystä jatketaan.

10 Alkalinen kraftkeitto suoritetaan voimakkaasti alkalisella kuumalla mustalipeällä (HBL) tai käyttäen kuumaa valkolipeää HBL-vaiheen jälkeen. Tyypillisesti lisäkuumentamisen tarve on minimaalinen, koska keitin täytetään kuumalla lipeällä. Jos kuumentamista tarvitaan, tätä tarkoitusta varten kierrätyslinjassa käytetään suorahöyrysuuttimia. Keittoa jatketaan kunnes saavutetaan vaadittu H-tekijä.

15

Sen jälkeen kun tavoiteltu H-tekijä on saavutettu, keittäminen lopetetaan johtamalla sisään viileää syrjäytyslipeää kattilan pohjasta. Tätä prosessivaihetta voidaan kutsua loppusyrjäy-tykseksi. Syrjäytyslipeä (DPL) on ensimmäisestä ruskeanmassan pesuvaiheesta peräisin oleva suodos. DPL syrjäyttää käytetyn keittolipeän keittimestä HBL-kokoojaan. Tällä ta-20 valla energiaa ja kemikaaleja voidaan varastoida/siirtää keitosta toiseen. Tämä on myös tehokas tapa lopettaa keitto.

Keittimen sisällön lämpötila on kiehumispisteen alapuolella syrjäytyksen päätyttyä, ja keittimen tyhjentäminen suoritetaan pumpulla. Keittimeen lisätään laimennuslipeää tyhjentäen g 25 misen parantamiseksi. Laimennu siipeä otetaan syrjäytyslipeäsäiliöstä. Lämpötila on alhai- c\j £ nen eikä voimakkaita kaasuja näin ollen muodostu. Käytetään atmosfääristä purkusäiliötä cp q (tyhjennyssäiliötä), ja poistokaasut johdetaan kaasunkäsittelyjärjestelmään. Tyhjennysvai- x heen päättymisen jälkeen, ts. kun keitin on tyhjä, voidaan aloittaa uusi keittojakso.

cc

CL

CO

^ 30 Keksinnön mukaisen prosessin suorittamiseksi laitoksen säiliöalue (ks. kuvio 1) käsittää m ° tyypillisesti kolme kokoojaa (kuumavesi-, kondensaatti- ja kuuman mustalipeän, ts. HBL- o 00 kokoojan) ja neljä atmosfääristä säiliötä (syrjäytys-, ts. DPL-säiliö, purkusäiliö, keitin ja

NaOH/valkolipeä (WL)-säiliön).

7

Kuvion 1 mukaisessa prosessissa HBL-kokoojaa käytetään kuumalipeän täytöissä käytettyjen alkalisten kraftlipeiden varastoimiseksi ja se toimii loppusyrjäytyksestä tulevan käytetyn keittolipeän vastaanottosäiliönä. Ylimääräinen lipeä tästä säiliöstä siirretään haihdutukseen lämmönvaihtimen ja lipeäsuodattimen kautta.

5

Kuviossa 1 esitetyn suoritusmuodon mukaan sisään tuleva vesi kuumennetaan ensin HBL-kokoojasta tulevalla kuumalla mustalipeällä ja sen jälkeen kondensaattikokoojasta tulevalla kondensaatilla ennen sen johtamista kuumavesi(HW)-kokoojaan, lämmönvaihtimet on esitetty kuviossa 1. Kuidut erotetaan lipeäsuodattimella. HBL-kokoojassa on kierrätyslinja, 10 jossa HBL:n lämpötilaa kontrolloidaan MP-höyryllä silloin kun kuumatäyttö ei ole käynnissä.

Kondensaattikokoojaa käytetään vastaanottosäiliönä esihydrolyysivaiheen kondensaatille. Kierrätyslinjaa käytetään pH:n kontrolloimiseksi kokoojassa. Tarvittaessa NaOH:n lisää-15 minen on mahdollista. Kondensaatti jäähdytetään lämmönvaihtimen avulla ennen kuin se siirretään jatkokäsittelyyn.

Kuumavesikokooja on lämmönvaihtimista tulevan kuuman veden varastointisäiliö. Kuu-mavesikokoojan kierrätyslinja on varustettu mahdollisuudella kuumentaa vesi MP-höyryllä 20 vaadittuun lämpötilaan. Kuumaa vettä käytetään talteenottovaiheessa edellä kuvatulla tavalla.

Syrjäytyslipeäsäiliötä käytetään loppusyrjäytystä ja tyhjennyslaimennusta varten tarkoitetun pesusuodoksen varastointiin. c\j δ 25 c\j £ Kuten kuviossa 1 on esitetty, myös NaOH:ta ja/tai valkolipeää varten on järjestetty varas- o q tointisäiliöitä. NaOH:ta voidaan käyttää kondensaatin neutraloimiseksi kondensaattikokoo- x jän kierrätyslinjassa. NaOH:ta tarvitaan keittimessä esihydrolyysivaiheen jälkeen, cc

NaOH:ta/valkolipeää voidaan myös käyttää HBL:n alkalisuuden kontrolloimiseksi keitto-co ^ 30 vaiheessa.

m o δ c\j

Claims (5)

8

1. Menetelmä sivutuotteiden talteen ottamiseksi syrjäytyseräkeittoprosessissa keitti-messä, joka käsittää pohjan, yläosan ja imusihtejä, mainitun menetelmän käsittäessä 5 hakkeen esihydrolysoinnin höyryfaasissa hydrolysaatin ja höyrykondensaatin tuot tamiseksi, tunnettu siitä, että esihydrolyysivaiheen jälkeen prosessia jatketaan siten, että keittimeen tuodaan kuumaa pesunestettä pesunestettä lisättäessä sitä kierrätetään imusihtien kautta keittimen yläosaan ja 10 keittimen pohjaan kierrätystä jatketaan, kunnes esihydrolysoitu hake on pesunesteen alla sivutuotteita sisältävä kuuma pesuneste otetaan talteen keittimestä ja keittimen sisältö neutraloidaan syrjäyttämällä pesuneste alkalisella lipeällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen prosessi sivutuotteiden talteen ottamiseksi, jolloin pesuneste on kuumaa vettä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen prosessi sivutuotteiden talteen ottamiseksi, jolloin kuumaan veteen lisätään natriumhydroksidia ennen sen johtamista keittimeen. 20

4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen prosessi sivutuotteiden talteen ottamiseksi, jolloin kuuman pesunesteen lämpötila on 100 - 170 °C, edullisesti 140 -160 °C. ^ 25

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen prosessi sivutuotteiden talteen ot- ^ tamiseksi, jolloin alkalinen liuos on NaOH. i oo o o X cc CL CO C\l m o δ CM 9