FI85516B - Foergasning av svartlut. - Google Patents

Description

1 4BSS4 6

Mustalipeän kaasutus Tämä keksintö koskee mustalipeän kaasutusta. Tarkemmin sanoen keksintö koskee laitteistoa ja menetelmää 5 mustalipeän vesiliuoksen hallituksi kaasuttamiseksi sulan suolan avulla palavan kaasun tuottamiseksi.

Selluloosan ja paperin valmistuksessa, jossa käytetään natriumpohjäisiä sulfaatti- ja sulfiittiprosesseja, puun keitto aikalisille vesiliuoksilla johtaa sivutuotteen 10 muodostumiseen, joka tunnetaan jäte- tai mustalipeänä ja josta jäljempänä käytetään nimitystä mustalipeä. Taloudellisuuden toteuttamiseksi koko keittoprosessissa tätä sivutuotetta ei voida hävittää jätemateriaalina, vaan se on sen sijaan muutettava hyödyllisiksi tuotteiksi. Erityises-15 ti on toivottavaa regeneroida natriumsulfidi, jota voidaan käyttää aktiivisten liuosten palauttamiseen ennalleen prosessin massankeittovaihetta varten. Lisäksi on toivottavaa käyttää mustalipeää hyväksi energialähteenä.

Yleisimmin toteutetussa mustalipeän prosessointime-20 netelmässä käytetään hyväksi Tomlinsonin talteenottouunia (josta käytetään myös nimitystä Tomlinsonin talteenotto-kattila ). Tässä systeemissä väkevöity mustalipeä poltetaan erikoisrakenteisen kattilan uunissa höyryn tuottamiseksi, sulan suolatuotteen valmistamiseksi, josta käyte-25 tään yleisesti nimitystä "sulate" ja joka sisältää natriumkarbonaattia ja natriumsulfidia, ja palamattoman poistokaasun tuottamiseksi, joka sopivan puhdistuksen jälkeen lasketaan ilmakehään. Tomlinsonin kattilaa käyttävä prosessi on palvellut selluloosa- ja paperiteollisuutta noin -'30 50 vuotta, mutta siinä on kuitenkin vakavia puutteita.

Poistokaasun suurta tilavuusmäärää on vaikea puhdistaa ja se voi muodostaa ympäristöongelman; kaikki talteen saatu energia on höyryn muodossa, jolla on rajoitettu käyttö; räjähdyksiä voi tapahtua, jos kattilan putket vuotavat ja \ 35 aiheuttavat veden pääsemisen kosketukseen sulatteen kans- 2 8.5 516 sa; ja rikkiyhdisteiden pelkistys sulfideiksi on epätäydellistä.

Erilaisia menetelmiä, joihin liittyy Tomkinsonin uunin vaihtoehtoja tai parannuksia, on käytetty tai ehdo-5 tettu käytettäväksi mustalipeän muuttamiseksi hyödyllisik si tuotteiksi.

US-patentissa 1 808 773 esitetään menetelmä, jossa käytetään hyväksi mustalipeän talteenottouunia, jossa on kaksi polttovyöhykettä. Ensimmäisessä korkean lämpötilan 10 polttovyöhykkeessä uuniin ruiskutetusta mustalipeästä poistetaan vettä ja se poltetaan oleellisesti täydellisesti. Toisessa vyöhykkeessä, joka sijaitsee ensimmäisen vyöhykkeen ja uunin pohjan välissä, lisämäärä mustalipeää ruiskutetaan uuniin yhdessä natriumsulfaatin kanssa. Tässä 15 toisessa vyöhykkeessä vesi poistetaan mustalipeästä haihduttamalla. Mustalipeän osittainen poltto johtaa sienimäi-sen hiilen kiinteän, sulavan kerroksen muodostumiseen uunin pohjalle, jolloin siihen on sekoittunut mustalipeästä peräisin olevia alkalijäännöksiä ja lisättyä natriumsul-20 faattia. Uunin pohjalla ylläpidetyt pelkistävät olosuhteet johtavat sulfaatin pelkistymiseen sulfidiksi. Sulat suolat tihkuvat alaspäin sienimäisen hiilikerroksen läpi ja poistuvat uunista pohjalaskuputken kautta. Vaikka tämä menetelmä muodostaa vaihtoehdon Tomlinsonin talteenottokatti-25 lan käytölle, kahden erillisen polttovyöhykkeen tarve vaatii kömpelön laitteiston. Samoin lämmön talteenoton järjestämisen puuttuminen johtaa mustalipeän polttoarvon menetykseen. Edelleen, vaikka tapahtuu natriumsulfaatin muuttumista natriumsulfidiksi ja mustalipeän palamista, ; 30 muuttumattoman sulfaatin prosenttimäärä on suhteellisen korkea, vaihdellen 8 ja 12 %:n välillä.

US-patentissa 1 931 536 kuvataan menetelmä sekä ruiskutetun mustalipeän että mustalipeäjauheen kontrolloimiseksi sulatusuunissa. Inerttiä kaasua syötetään sula-'·1 35 tusuuniin ruiskutetun mustalipeän tai kuivatun mustalipeä- I; · « • · · 3 85516 jauheen sisääntulokohdasta tai läheltä sitä. Tämä inertti kaasu hidastaa mustalipeän haihtuvien aineosien palamista ja tekee mahdolliseksi ruiskutetun väkevöidyn lipeän tai kuivatun mustalipeäjauheen syöttämisen sulatusuuniin jon-5 kin matkan päästä, ennen kuin mustalipeän orgaanisen ja hiilisisällön palaminen tapahtuu suhteellisen syvässä kerroksessa sulatusuunissa. Tämä menetelmä edustaa parannusta tavanomaiseen Tomlinsonin talteenottokattilaan verrattuna, mutta sillä on samat perusrajoitukset; mustalipeä palaa 10 täydellisesti, jolloin syntyy suuri tilavuusmäärä epäpuhdasta poistokaasua ja muodostuu ainoastaan höyryä.

US-patentissa 2 056 266 kuvataan yhdistetyn sulat-timen ja hyvin paljon Tomlinsonin kattilaa muistuttavan kattilan käyttö alkalimetallin talteenottoon mustalipeästä 15 ja sen lämpösisällön hyväksikäyttöön. Kuivattuja mustalipeän kiintoaineita syötetään kiinteän polttoaineen kerros-vyöhykkeeseen, jossa ne poltetaan pelkistävässä atmosfäärissä sillä seurauksella, että osittain palaneita kaasuja kohoaa polttoainekerroksesta. Nämä osittain poltetut kaa-20 sut poltetaan sitten täydellisesti syöttämällä ilmavirta polttovyöhykkeeseen kerroksen yläpuolelle. Polttovyöhyke sisältää kattilaputket höyryn tuottamiseksi. Polttovyöhyk-keessä syntyneiden poistokaasujen annetaan kohota ja inerttiä kaasua puhalletaan polttoainekerrokseen kiintei-25 den aineiden kulkeutumisen estämiseksi polttoainekerroksesta kohoavien kaasujen mukana ja selvästi erottuvan ero-tuslinjan synnyttämiseksi vyöhykkeiden välille. Sulaneet alkaliset aineet lasketaan pois kerroksen pohjalta. Tämä menetelmä vaatii mustalipeän muuttamisen mustalipeän kiin-30 toaineiksi ennen niiden syöttämistä polttoainekerrosvyö-hykkeeseen. Lisäksi menetelmän toteuttamiseen tarvittava laitteisto on minomutkainen ja vaatii erillisen laitteen mustalipeän kuivaamiseksi.

US-patentissa 2 182 428 esitetään menetelmä jäteli-35 peiden kuivaamiseksi ruiskuttamalla haihdutettava lipeä 4 85516 lämmönsiirtoväliaineen, kuten öljyn, tervan, pien, asfaltin tai vahan pinnalle. Koska lämmönsiirtoväliaine on inertti eikä mitään palamis- tai pelkistysreaktioita tapahdu, jätelipeät pelkästään haihdutetaan ottamatta tal-5 teen mitään hyödyllistä tuotetta haihdutetuista lipeistä.

US-patenteissa 3 639 111 ja 3 718 446 esitetään menetelmä puhtaasti palavan polttoaineen tuottamiseksi orgaanisen materiaalin, kuten sulfaattijätelipeän, korkean lämpötilan tislauksella ja pyrolyysillä. Jotta saavutet-10 täisiin vaaditut krakkauslämpötilat pyrolyysivyöhykkeessä, kontrolloitu määrä happea sisältävää kaasua (korkeintaan noin 15 % täydelliseen polttoon vaaditusta määrästä) syötetään krakkausoperaation aikana. Koska happea sisältävä kaasu, pyrolysoitava mustalipeä ja tuotekaasut virtaavat 15 samansuuntaisesti systeemin läpi ja tuotekaasu poistuu täydessä reaktiolämpötilassa luovuttamatta lämpöä sisään-tulevalle materiaalille, prosessi on termisesti tehoton. Edelleen sekä epäsuoran lämmönvaihdon että suoran polton vaatimukset edellyttävät suhteellisen suurta, monimutkais-20 ta laitteistoa.

US-patentissa 3 916 617 kuvataan suolan käyttö vä-häenergisen kaasun tuottamiseen hiilipitoisen materiaalin kaasutuksesta ja osittaisesta hapetuksesta. Hiilipitoista materiaalia ylläpidetään sulan suolan vyöhykkeessä halutun 25 pelkistävän atmosfäärin aikaansaamiseksi, kun ilmaa johdetaan tähän sulan suolan vyöhykkeeseen hiilipitoisen materiaalin osittaiseksi polttamiseksi. Kun ilmaa ja mustali-peää syötetään sulan suolan reaktiovyöhykkeeseen, mustali-peässä olevan veden haihduttamiseen vaadittu lämpö on ai- 30 kaansaatava polttoreaktioilla. Tämä edellyttää suurta il- : * : man ja mustalipeän välistä suhdetta ja johtaa huonolaatui sen kaasun tuotantoon (tyypillisesti alle 2 600 kJ/m3).

____: Tästä seuraa, että tämän US-patentin mukainen menetelmä on pääasiassa hyödyllinen kivihiilen ja muiden suhteellisen 35 kuivien hiilipitoisten materiaalien kaasutukseen.

i: 5 65516 US-patentissa 4 441 959 esitetään menetelmä lämmön ja kemikaalien talteenottamiseksi käytetyistä selluloosan keittolipeistä, jossa menetelmässä käytetään hyväksi lei-jukerrosreaktiokammiota. Väkevöity käytetty keittolipeä 5 poltetaan ilmalla leijutetussa kerroksessa, joka sisältää lukuisia inerttejä kiinteitä, hiukkasmaisia materiaaleja, joista vähintään yhdellä on hienompi hiukkaskoko kuin toisilla. Polton jälkeen hienomman hiukkaskoon hiukkasmaisia materiaaleja käsitellään ulkopuolisessa leijukerrosiämmön-10 vaihtimessa lämmön talteenottamiseksi ja hienompien hiukkasten erottamiseksi poltossa syntyneistä kaasumaisista ja kiinteistä tuotteista. Kiinteät tuotteet käsitellään tämän jälkeen sulan suolan pelkistimessä, jolloin muodostuu sulate, joka sisältää natriumsulfidia ja muita suoloja. Kaa-15 sumaiset tuotteet koostuvat olennaisesti palamattomasta poistokaasusta, jonka lämpösisältöä käytetään höyryn tuottamiseksi. Tuloksena oleva jäähdytetty poistokaasu voidaan sopivan puhdistuksen jälkeen laskea ilmakehään. Vaikka tällä menetelmällä saadaan talteen osa käytettyjen sellu-20 loosan keittolipeiden lämmöstä ja kemikaaleista, kiinteät palamistuotteet eivät pelkisty leijukerroksissa. Tämän vuoksi vaaditaan erillinen sulan suolan pelkistyslaite, mikä lisää menetelmän monimutkaisuutta.

Minkään aikaisemmin käytettävissä olleista menetel-25 mistä ei tämän vuoksi voida katsoa kykenevän vaivattomasti ja tehokkaasti ottamaan talteen oleellisesti koko mustali-peän energia- ja kemikaalisisältöä arvokkaina tuotteina.

Vaikka niitä ei ole tarkasteltu osana tunnettua tekniikkaa, tämän keksinnön tekijä ja hänen avustajansa 30 ovat aikaisemmin ehdottaneet muita menetelmiä mustalipeän kaasutukseen.

Niinpä on ehdotettu, että kuivatut mustalipeän ____: kiintoaineet kaasutettaisiin sulan suolan keräymässä. Täl- - laisessa menetelmässä tuotetaan palavaa poistokaasua ja 35 pelkistetään suuri osa mustalipeän kiintoaineiden rikkisi- 6 85516 säilöstä. Ensin mustalipeä on kuitenkin kuivattava musta-lipeän kuiva-aineiden muodostamiseksi, joita tarvitaan syötöksi sulan suolan keräymään. Tämä lisää prosessin monimutkaisuutta ja kustannuksia.

5 US-patentissa 4 773 918 tämän keksinnön tekijä on ehdottanut menetelmää energia- ja kemikaalisisällön tal-teenottamiseksi vesipitoisesta mustalipeästä käyttämällä reaktoria, joka sisältää kaasutusvyöhykkeen yläpuolella sijaitsevan kuivausvyöhykkeen. Reaktori sisältää huokoisen 10 kiinteän hiilipitoisen materiaalin kerroksen kaasutusvyö-hykkeessä. Happea sisältävää kaasua syötetään kaasutusvyö-hykkeeseen stökiömetristä määrää pienempi määrä osittaisten palamis- ja kaasutusreaktioiden tuottamiseksi, jotka riittävät ylläpitämään lämpötilan kiinteän hiilipitoisen 15 materiaalin kerroksen yläpinnalla kaasutusvyöhykkeessä noin 870 - 1 200 °C:ssa ja muodostamaan kuumaa palavaa kaasua, joka kohoaa kaasutusvyöhykkeestä. Väkevöity mustalipeä, joka sisältää alkalimetallioksirikkiyhdisteitä, syötetään kuivausvyöhykkeeseen ja siihen sisältyvä vesi haih-20 dutetaan saattamalla se kosketukseen kaasutusvyöhykkeestä kohoavien kuumien kaasujen kanssa. Kuivausvyöhykkeessä tuotetaan lämpötilaltaan alempi tuotekaasu ja kuivia mus-talipeän kiintoaineita, jotka putoavat kaasutusvyöhykkeessä olevan kerroksen pinnalle. Kuivatut mustalipeän kiinto-25 aineet muutetaan kuumaksi, palavaksi kaasuksi, joka kohoaa . kaasutusvyöhykkeestä, ja alkalimetallisuoloiksi, jotka su lavat ja tunkeutuvat kerroksen läpi. Tuotekaasut poiste-/ taan kuivausvyöhykkeen yläosasta. Sulate, jossa rikkisi- • ·' sältö on vähintään noin 80-%:isesti alkalimetallisulfidin 30 muodossa, poistetaan kaasutusvyöhykkeen alaosasta. Huoli-matta tämän menetelmän edullisista piirteistä kaasutus- ja rikin pelkistysreaktioiden edistämisessä, tapahtuvat reak-·:1; tiot ovat tehottomia, mikä johtuu suhteellisen huonosta kosketuksesta ilman ja kiinteän hiilen välillä. Samoin .· . 35 toimintaominaisuudet ovat epävarmoja, sillä kiinteän hii- I: · · • φ 7 85516 lipitoisen materiaalin kerroksen korkeus voi muuttua aiheuttaen pienehköjä vaihteluita toimintaolosuhteisiin.

US-patenttihakemuksessa 06/699 498 (jätetty 8. helmikuuta 1985) tämän keksinnön tekijä on kuvannut vesipi-5 toisen mustalipeän kaasutusta käyttäen sulan suolan keräy-mää. Happea sisältävää kaasua syötetään sulan suolan ke-räymän pinnan alle, joka keräymä sisältää alkalimetalli-karbonaattia ja alkalimetallisulfidia ja joka on suljetussa kaasutusastiassa, nopeudella, joka riittää tuottamaan 10 suuren pyörteisyyden sulan suolan keräymään. Mustalipeä karkean suihkun muodossa syötetään keräymän yläpuolella oleviin kohoaviin kuumiin kaasuihin. Tällä tavoin vettä haihdutetaan vesipitoisesta mustalipeästä kuumiin kaasuihin lämpötilaltaan alentuneen tuotekaasun ja kuivattujen 15 mustalipeän kiintoaineiden tuottamiseksi, jotka kiintoaineet putoavat keräymän pinnalle ja dispergoidaan siihen. Kuivatut mustalipeän kiintoaineet muutetaan keräymästä kuumaksi, palavaksi kaasuksi, joka kohoaa ylös keräymästä, ja alkalimetallisuoloiksi, jotka sulavat keräymässä ole-20 viin suoloihin. Tuotekaasuvirta, jonka ylempi lämpöarvo (HHV) kuivana on vähintään noin 3 353 kJ/m3, poistetaan kaasutusastiasta yhdessä sulan suolatuotteen kanssa, jossa rikkisisältö on vähintään noin 90-%risesti alkalimetallisulf idin muodossa. Vaikka tämän keksinnön menetelmä on ·'·.. 25 hyödyllinen haluttujen tulosten saamisessa, jolloin ai- kaansaadaan palavaa kaasua ja sulaa suolatuotetta, jossa alkalimetallisulfidi on vallitsevana, menetelmään liittyy tiettyjä ongelmia. Säiliömateriaalien korroosio ja rikkou-- tuminen ovat yleensä ominaisia sulien suolojen pyörteisten 30 keräymien käytölle. Samoin sulien suolojen kulkeutumista voi tapahtua kaasuissa, jotka kohoavat keräymästä. Tämä saattaa vaatia keräymän läpi kulkevan kaasun nopeuden rajoittamista.

V · Edelleen on havaittu, että osa mustalipeässä ole- 35 vasta hiilipitoisesta aineesta kaasuuntuu ennen kuin hiuk- 8 85516 kaset saavuttavat keräymän. Tämän seurauksena vain osa hiilipitoisesta aineesta pääsee keräymään. Jos kaikki mus-talipeän kaasutukseen tarvittava ilma syötetään keräymään sen pinnan alapuolelta, olosuhteet keräymässä saattavat 5 olla liian vahvasti hapettavat, jotta tapahtuisi rikkiyhdisteiden tehokas pelkistys.

Esillä oleva keksintö on osittain jatkoa US-patent-tihakemukselle 06/699 498 ja muodostaa parannuksen siinä esitettyyn keksintöön samoin kuin US-patentissa 4 773 918 10 esitettyyn keksintöön. Se säilyttää näissä kahdessa julkaisussa kuvattujen mustalipeän peruskaasutusprosessien edulliset piirteet samalla, kun se vähentää yllä mainittuja ongelmia. Se aikaansaa lisäksi sen merkittävän edun, että se sallii toiminnan erittäin suurella kaasutusnopeu-15 della tietyllä kaasutuslaitekoolla.

Laajimmassa merkityksessään esillä oleva keksintö käsittää parannetun laitteiston ja menetelmän mustalipeän kaasuttamiseksi, joissa tuotetaan palavaa kaasua ja musta-lipeän rikkisisältö muutetaan oleellisesti täydellisesti 20 sulfidiksi.

Suljetussa, pystysuorassa pitkänomaisessa kaasutus-astiassa voidaan pitää sen pohjalla olevassa kaukalossa suhteellisen matalaa sulan suolan keräymää, joka suola sisältää alkalimetallikarbonaattia ja alkalimetallisulfidia. 25 Väkevöityä vesipitoista mustalipeää ruiskutetaan astiaan läheltä sen ylintä osaa. Mukaan on liitetty väline happea sisältävän kaasun, edullisesti ilman, syöttämiseksi hallitusti kaasutusastiaan kahdesta erillisestä kohdasta, joista toinen on sulan suolan keräymän pinnan alla ja toinen 1 : 30 sulatteen pinnan yläpuolella kaasutilan alaosassa.

Ilman syötön jakautumista kaasutusastiaan kontrolloidaan, jotta kaasutusastiaan saadaan aikaan kolme vyöhy- ”**' kettä: V : (1) mustalipeän kuivausvyöhyke, joka sijaitsee astian ylä- : 35 osassa; li 9 85516 (2) mustalipeän kiintoaineiden kaasutusvyöhyke, joka sijaitsee kuivausvyöhykkeen alapuolella; ja (3) sulan suolan sisältämän rikin pelkistysvyöhyke, jossa on sulan suolan keräymä.

5 Tämän keksinnön ratkaiseva piirre on, että happea sisältävää kaasua, edullisesti ilmaa, syötetään hallitusti sekä suoraan sulan suolan keräymän massaan (rikin pelkistysvyöhyke) että myös keräymän pinnan yläpuolelle kaasuti-lan alaosaan (kaasutusvyöhyke). Ilmansyötön jakautumista 10 kontrolloidaan siten, että rikin pelkistysvyöhykkeeseen sulan suolan keräymään syötetään vain se määrä ilmaa, joka vaaditaan takaamaan sulatekeräymään todella tulevan hiili-pitoisen materiaalin täydellinen hajoaminen. Tyypillisesti tämä edustaa noin 30 - 70 % koko kaasutusastiaan syötetys-15 tä ilmamäärästä. Loppuosa ilmasta syötetään kaasutusvyö-hykkeeseen välittömästi keräymän yläpuolelle. Näin ollen koko kaasutusastiaan syötetystä kokona!silmamäärästä noin 30 - 70 % syötetään kaasutusvyöhykkeeseen. Koska esillä olevan menetelmän tarkoituksena on kaasuttaa mustalipeä 20 palavan kaasun tuottamiseksi sekä rikkiarvojen talteenot-tamiseksi, kaasutusastiaan syötetyn ilman kokonaismäärä on tyypillisesti noin 25 - 55 % siitä määrästä, joka tarvitaan syötetyn mustalipeän täydelliseen polttoon. Tyypillisesti koko kaasutusastiaan syötettävä ilma esilämmite-25 tään lämpötilaan noin 120 - 450 °C, edullisesti 150 -400 °C.

Palava kaasu, jonka palavat komponentit ovat pääasiassa vety ja hiilimonoksidi ja joita muodostuu kaasu-tusvyöhykkeessä, voidaan käyttää sopivan puhdistuksen jäl-30 keen kaasuturbiinissa syötetyn mustalipeän energia-arvojen hyväksikäyttämiseksi maksimaalisesti. Sulan suolan keräymästä tuotettu alkalimetallisulfidi voidaan ottaa *:·: talteen vesiliuoksena ja kierrättää takaisin paperinval- mistusprosessiin soodalipeänä.

10 8551 6

Kuvio 1 on kaavamainen virtauskaavio, joka esittää esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän edullista toteutusmuotoa .

Kuvio 2 on osittain poikkileikkauksena oleva sivu-5 kuva esillä olevan keksinnön mukaisesti kaasutusastiasta ja siihen liittyvästä sammutussäiliöstä. Näitä käytetään hyväksi esillä olevan keksinnön mukaista menetelmää toteutettaessa.

Mustalipeä, joka saadaan tyypillisesti puunkeitto-10 operaatiosta osana paperinvalmistusprosessia, sisältää pa lavaa orgaanista materiaalia, alkalimetallisulfidia ja al-kalimetallihydroksidia sekä erilaisia alkalimetallioksi-rikkiyhdisteitä. Tyypillisesti nämä oksirikkiyhdisteet ovat natriumsulfaattia, -tiosulfaattia ja -sulfiittia.

15 Paperinvalmistusprosessin taloudellisuus vaatii, että oleellisesti kaikki palava materiaali poistetaan, alkali-metalli- ja rikkiyhdisteet otetaan talteen mustalipeästä ja oksirikkiyhdisteet muutetaan alkalimetallisulfidiksi palautettavaksi prosessiin hapettamalla alunperin läsnä 20 olevaa alkalimetallisulfidia.

Esillä olevaa keksintöä toteutettaessa väkevöityä vesipitoista mustalipeää, joka sisältää vähintään noin 45 paino-% kiintoaineita ja jonka ylempi lämpöarvo (HHV) on vähintään noin 7 443 kJ/kg, syötetään kuivausvyöhykkeeseen 25 tyypillisesti karkeana suihkuna. Kuivausvyöhyke saa aikaan suorakosketuksisen lämmönvaihdon mustalipeän putoavien pisaroiden ja kaasutusvyöhykkeestä nousevan kaasuvirran välillä. Vettä haihdutetaan väkevöidystä mustalipeästä ko-- hoavasta kaasuvirrasta johtuvan lämmön absorboitumisen 30 avulla. Lämpöä pisaroihin tulee myös säteilystä korkean lämpötilan komponenteista. Kaasun lämpötilat tässä kui-vausvyöhykkeessä ovat noin 500 - 800 ÖC lähellä vyöhykkeen ' ‘ ylintä osaa ja noin 800 - 1 000 °C lähellä pohjaa.

: Kuivatut mustalipeän kiintoaineet muodostuvat kui- : 35 vausvyöhykkeessä sen seurauksena, että vesipitoinen musta- li il 8551 6 lipeä saatetaan kuivausvyöhykkeessä kosketukseen kaasutus-vyöhykkeestä kohoavien kaasujen kanssa. Mustalipeän kiintoaineiden kaasutusvyöhykkeessä merkittävä osa kuivatuissa hiukkasissa olevasta hiilipitoisesta materiaalista, joka 5 putoaa kuivausvyöhykkeestä, muuttuu kaasuksi. Kaasua tuottavia reaktioita ovat pyrolyysi, jossa vapautuu haihtuvia hiilivetyjä, hiilen kaasutus hiilidioksidilla ja vesihöyryllä hiilimonoksidin ja vedyn tuottamiseksi ja sekä kaasu- että kiinteän faasin komponenttien poltto reaktiolla 10 hapen kanssa, jota on läsnä tähän vyöhykkeeseen ruiskutetussa happea sisältävässä kaasussa. Osittaisten palamis-reaktioiden seurauksena vapautuu lämpöä, joka tuottaa tähän vyöhykkeeseen korkeat, 900 - 1 200 °C:n lämpötilat. Koska kiinteät hiukkaset saatetaan alttiiksi reaktiolle 15 vain suhteellisen lyhyeksi ajaksi, kun ne putoavat kaasu-tusvyöhykkeen läpi, ne kaasuttuvat vain osittain. Tyypillisesti 25 - 75 % kaasutusastiaan tulevassa mustalipeässä olevasta orgaanisesta hiilestä kaasutetaan kaasutusvyöhykkeessä. Samaa luokkaa oleva tai suurempi prosenttimäärä 20 orgaanisesta vedystä muuttuu myös kaasumaisiksi komponenteiksi tässä vyöhykkeessä. Reagoimaton hiilipitoinen materiaali yhdessä suurimman osan kanssa alkuperäisestä syötetystä mustalipeästä saatua epäorgaanista materiaalia putoaa pois tästä vyöhykkeestä rikin pelkistysvyöhykkeeseen. 25 Rikin pelkistyvyöhyke sisältää sulien alkalimetallisuolo-jen keräymän, joka sisältyy kaasuastian pohjalla olevaan matalaan kaukaloon.

Olennaisesti kaikki putoavissa hiukkasissa olevat rikkiyhdisteet pelkistyvät sulfidiksi sulan suolan sisäl-30 tämän rikin pelkistysvyöhykkeessä tai ylläpidetään sulfi-*'· deina, jos ne jo ovat tässä muodossa. Ilmaa syötetään tä hän vyöhykkeeseen riittävä määrä, jotta saatavilla on happea, jota vaaditaan kaiken sisääntulevan hiilipitoisen ai-: neen kaasuttamiseen, mutta merkittävästi vähemmän kuin se : 35 määrä, joka vaaditaan täydelliseen polttoon. Tyypillisesti 12 δ 5 51 6 vaadittu hapen määrä on 25 - 55 % siitä määrästä, joka vaaditaan hiilen täydelliseen polttoon hiilidioksidiksi, vedyn vedeksi ja rikkiyhdisteiden sulfaattimuotoon. Syöttämällä vain tämä määrä happea olosuhteet sulatekeräymässä 5 ovat erittäin pelkistävät ja vähintään noin 90 % tuotesu-latteessa olevista rikkiyhdisteistä on sulfidimuodossa.

Tämä keksintö saa aikaan useita merkittäviä etuja. Koska vain osa syötetyssä mustalipeässä olevasta hiilipi-toisesta materiaalista tulee sulan suolan keräymään ja 10 vain osa ilmasta syötetään keräymään reagoimaan sen kanssa, keräymä voi olla suhteellisen matala, syvyydeltään tyypillisesti 30 - 120 cm. Matalan keräymän käyttö vähentää kalliin, sulatetta kestävän tulenkestävän aineen määrää, jota on käytettävä kaasutuslaitteen vuoraamiseen.

15 Toisena tämän keksinnön etuna on kaasutuslaitteen kapasiteetin kasvu. Keräymätyyppisessä kaasutuslaitteessa kaasun nopeutta rajoittavat normaalisti liiallisen muka-nakulkeutumisen ja pyörteisyyden ongelmat, kun keräymästä poistuvan kaasun pintamyötäinen nopeus ylittää 60 - 90 20 cm/s. Tämä puolestaan rajoittaa halkaisijaltaan määrätyn kaasutuslaitteen kapasiteettia. Tässä keksinnössä vain osa kaasusta kulkee keräymän läpi. Näin ollen esimerkiksi jos puolet kaasusta kulkee keräymän läpi pinnanmyötäisellä nopeudella 75 cm/s pinnalla ja toinen puoli muodostetaan .·. 25 kaasutusvyöhykkeessä, koko kaasu tulee kuivausvyöhykkee- seen pinnanmyötäisellä nopeudella noin 150 cm/s, joka on aivan hyväksyttävä kaasun ja kiinteän aineen ja kaasun ja nesteen reaktoreille, joissa kaasu on jatkuva faasi. Tämän seurauksena halkaisijaltaan määrätyn kaasutuslaitteen ka-30 pasiteetti kasvaa suuresti ottamalla tämä parannus käyt-töön US-hakemuksen 06/699 498 esittämässä keksinnössä.

Kuten näissä kahdessa edellä mainitussa hakijan julkaisussa on kuvattu, lämpöhäiviöt reaktiovyöhykkeistä on minimoitava. Näin ollen on edullista toimia korotetussa . 35 paineessa, sillä tämä pienentää vaadittua kaasutusastioi-den kokoa, mikä taas alentaa lämpöhäviötä ja kustannuksia.

li i3 8551 6

Tyypillistä systeemiä, jossa käytetään hyväksi suo-lasulatekaasutusastiaa ja tämän keksinnön mukaista menetelmää, kuvataan nyt viitaten piirrokseen.

Kuviossa 1 esitetään suolasulatteen kaasutusastia, 5 jota käytetään kaasuturbiiniin yhdistetyssä kiertosystee-missä, joka edustaa tämän keksinnön edullista toteutusmuotoa. Mistä tahansa sopivasta lähteestä tulevaa puujätettä syötetään putken 2 ja venttiilin 4 kautta sulkusuppiloon 6. Siitä puujäte kulkee venttiilin 8 kautta toiseen sulku-10 suppiloon 10. Sulkusuppiloita käytetään paineistetulla kaasulla tavanomaiseen tapaan, jota käytetään kiintoaineiden syöttämiseen paineistettuun säiliöön. Sulkusuppilosta 10 puujäte kulkee putken 12 ja syöttöventtiilin 14 kautta venttiilillä varustettuun putkeen 16, jonka läpi paineilma 15 virtaa. Paineilma kuljettaa puujätettä ja se ruiskutetaan ilman mukana sulan suolan keräymän 18 pinnan alapuolelle, joka on suolasulatekaasutusastian 20 pohjalla olevassa kaukalossa. Ilmaa ruiskutetaan myös sulatteen pinnan yläpuolelle venttiilillä varustetun putken 21 läpi. Sulattee-20 seen putken 16 kautta syötetyn ilman määrä on tyypillisesti 30 - 70 % kaasutusastiaan syötetyn ilman kokonaismäärästä. Ilman määrä, joka syötetään sulatteen pinnan yläpuolelle putken 21 kautta, edustaa loppua 30 - 70 %:n kokonaismäärästä .

25 Suolasulatekaasutusastiaa 20, joka tekee ainutlaa tuisella tavalla mahdolliseksi tämän keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamisen, kuvataan yksityiskohtaisemmin kuvion 2 yhteydessä.

Viitaten jälleen kuvioon 1 sellunvalmistusproses-30 sista saatua mustalipeää ruiskutetaan astiaan 20 lähellä astian ylintä osaa putken 22 ja suuttimen 24 kautta. Ruiskutetun vesipitoisen mustalipeän väkevyys on tyypillisesti noin 45 - 75 % kiintoainetta. Astiasta 20 poistuva kaasumainen tuote kulkee putken 30 läpi absorptiolaitteeseen .·. *. 35 32. Absorptioaine syötetään absorptiolaitteeseen 32 putken i4 8 5 51 6 34 kautta. Absorptioaine voi olla sellutehtaan alkalinen lipeä tai tavanomainen absorptioaine, kuten etanoliamiini-liuos. Tätä absorptioainetta käytetään H2S:n ja muiden epämieluisten komponenttien poistamiseen kaasusta. Käytetty 5 absorptiosysteemi on edullisesti suunniteltu H2S:n selektiiviseen absorptioon C02:n läsnäollessa, sillä tuotekaasu sisältää merkittäviä määriä (10 - 15 %) COz:a. Käytetty absorptioaine poistuu absorptiolaitteesta 32 putken 36 kautta. Absorptiolaitteesta 32 tulevat osittain puhdiste-10 tut kaasut johdetaan putken 38 kautta savukaasupesuriin 40 lisäpuhdistukseen. Vettä syötetään savukaasupesuriin 40 putken 42 kautta ja se poistuu putken 44 kautta. Pestyt kaasut poistuvat putken 46 kautta kaasuturbiinipolttimeen 48. Savukaasupesuri 40 on esitetty tyypillisenä laitteena, 15 jolla poistetaan liukoisten suolojen hyvin hienoja hiukkasia. Muita laitteita, kuten kangassuodattimia, voidaan myös käyttää hienojen hiukkasten poistamiseen. Ilmaa syötetään polttimeen 48 putken 50, kompressorin 52 ja putken 53 kautta. Kompressorista 52 tuleva ilma syötetään myös 20 putken 54 kautta apukompressoriin 56 ja sitten paineilma-putkeen 58. Tämä syöttää putkia 16 ja 21, jotka johtavat ilmaa sulan suolan keräymään ja vastaavasti sen yläpuolelle. Kuumat puhtaat palamiskaasut poistuvat polttimesta 48 putken 59 kautta ja syötetään kaasuturbiiniin 60, joka 25 syöttää energiaa generaattoriin 62 ja kompressoriin 52. Kaasuturbiinista 60 tulevat laajenevat kaasut johdetaan · putken 64 kautta jätelämpökattilaan 66, johon vettä syöte- tään putken 68 kautta muutettavaksi höyryksi. Jätelämpö-kattilassa 66 tuotettu höyry poistuu putken 70 kautta höy-30 ryturbiiniin 72, joka syöttää energiaa generaattoriin 74. Prosessihöyryä saadaan höyryturbiinista 72 putken 75 kautta. Poistokaasut jätelämpökattilasta 66 poistuvat putken 76 kautta savupiippuun 77 laskettaviksi ilmakehään.

Astiasta 20 yli vuotava sulate virtaa putken 78 .'.'t 35 kautta sammutussäiliöön 80. Vettä syötetään sammutussäi- is 8551 6 liöön 80 putken 82 kautta. Vesiliuos, jota syntyy sulatteen sammutuksessa, poistetaan sammutussäiliöstä 80 putken 84, pumpun 86 ja putken 88 kautta. Osa poistetusta vesi-kerroksesta kierrätetään sammutussäiliöön 80 putken 90 5 kautta ja se rikkoo sulatteen putoavan virran, kun se tulee ulos putkesta 78. Toinen osa liuoksesta syötetään putkesta 88 putken 92 kautta soodalipeän varastosäiliöön 94. Putki 96 johtaa soodalipeän varastosäiliöstä 94 sopivaan kohtaan sellunvalmistusprosessia, esimerkiksi sulfaatti-10 prosessilaitoksen kaustisointivaiheeseen.

Kuvio 2 esittää tämän keksinnön mukaista suolasula-tekaasutusastiaa ja siihen liittyvää sammutussäiliötä ja niiden toimintaa yksityiskohtaisemmin.

Kaasutusastia 100 sisältää mustalipeän kuivausvyö-15 hykkeen 102, joka on astian yläosassa, mustalipeän kiintoaineiden kaasutusvyöhykkeen 104, joka on kuivausvyöhykkeen alapuolella, ja rikin pelkistysvyöhykkeen 106, joka käsittää sulan suolan keräymän 108, joka on kaukalossa astian pohjalla. Astian 100 on esitetty koostuvan ulkoseinämänä 20 olevasta metallisesta astian kuoresta 110, joka on vuorattu eristävällä tulenkestävällä aineella 112, joka kykenee kestämään astiassa 100 vallitsevia lämpötiloja ja ympäristöä. Eristävää tulenkestävää materiaalia 112 on riittävän paksu kerros lämpöhäviöiden minimoimiseksi käytännöllises-' '·. 25 sä määrin astian 100 sisältä. Sulan suolan keräymä 108 on edelleen sulatetta kestävän tulenkestävän verhouksen sisäpuolella, jolloin verhous Jatkuu ylöspäin ainakin osan matkaa kaasutusvyöhykkeen 104 läpi.

Käsiteltävä mustalipeä 114 syötetään (lähteestä, "1 30 jota ei ole esitetty) putken 116 läpi pumppuun 118. Pum pusta 118 mustalipeä syötetään astiaan 100 ruiskutussys-teemin 120 läpi, joka ruiskuttaa väkevöidyn vesipitoisen mustalipeän karkeana suihkuna useiden ruiskusuuttimien 122 • * · läpi kuivausvyöhykkeen 102 yläosaan.

• · * m · ie 8551 6

Laitteistoon kuuluu astiaa 100 varten kaasunsyöt-tösysteemi, joka sisältää happea sisältävän kaasun (tyypillisesti ilman) tuloputken 124, joka johtaa kompressoriin 126, jota moottori 128 käyttää. Puristamalla edulli-5 sesti happea sisältävä kaasu kokoon kaasun lämpötila nousee. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää kaasunkuumenninta happea sisältävän kaasun lämpötilan nostamiseksi halutulle tasolle. Paineistettu happea sisältävä kaasu poistuu kompressorista 126 putken 130 kautta ilmavirran jakautumista 10 säätävään systeemiin 132, joka sisältää yhden tai useampia annosteluventtiilejä. Nämä säätävät selektiivisesti paine-ilman virtausta putken 134 kautta suoraan pelkistysvyöhyk-keeseen 106 (sulan suolan keräymään 108) ja putken 136 kautta kaasutusvyöhykkeeseen sulan suolan keräymän yläpuo-15 lelle. Putket 134 ja 136 muodostavat yleensä kaasun ruis-kutusaukkojen ympyrän muotoisen rivistön paineilman syöttämiseksi pelkistysvyöhykkeeseen 106 ja kaasutusvyöhykkeeseen 104.

Tämän keksinnön ratkaisevan piirteen mukaisesti 20 ilmansyötön jakautumista säädetään siten, että vain se määrä ilmaa, joka vaaditaan sulatekeräymään todella tulevan hiilipitoisen materiaalin hajoamisen takaamiseen, syötetään suolasulatepelkistysvyöhykkeeseen 106. Tämä on tyypillisesti 30 - 70 % koko astiaan 100 syötetystä määrästä.

• ·.. 25 Loput astiaan syötetystä ilmasta syötetään kaasutusvyöhyk- **:*: keeseen 104 välittömästi keräymän yläpuolelle. Koska tuo tetaan palavaa kaasua, astiaan syötetty kokonaisilmamäärä on tyypillisesti 25 - 55 % määrästä, joka tarvitaan kaikkien syötettyjen materiaalien täydelliseen polttoon. Kuten ‘.".m 30 kuvion 1 yhteydessä mainittiin, muuta materiaalia, kuten ' ‘ puujätettä, voidaan syöttää paineilman avulla suoraan su lan suolan keräymään.

Sulatteen ylivirtauksen poistoputki 138 johtaa sul- • · · : jettuun sammutussäiliöön 140. Normaalin toiminnan aikana .'.j 35 suolasulatetuote 141 puretaan altaasta 108 sulatteen pois-• * • · * · · ♦ k · • · 1·« • · li i7 8 5 51 6 toputken 138 kautta sammutussäiliöön 140. Vettä tai sopivaa suolaliuosta, kuten kierrätettyä soodalipeää, syötetään sammutussäiliöön 140 putken 142 kautta. Vesi pirstoo ja sammuttaa sammutussäiliöön tulevan sulatteen muodostaen 5 soodalipeän keräymän 144, joka sisältää mustalipeästä peräisin olevia pelkistettyjä kemikaalisuoloja. Soodalipeä poistetaan putken 146 kautta tyypillisesti palautettavaksi massankeittoprosessiin. Osa soodalipeätuotteesta voidaan kierrättää putkeen 142 auttamaan sulatteen 141 hajoamises-10 sa. Sulatteen 141 sammutuksen aikana muodostuu kuumaa kaasua, joka koostuu pääasiassa vesihöyrystä, joka poistetaan sammutussäiliöstä 140 putken 148 kautta. Pienen osan kaa-sutusastiassa 100 muodostetusta kaasusta voidaan antaa virrata sulatteen poistuputken 138 läpi yhdessä puretun 15 sulatteen kanssa ja tämä kaasu poistetaan myös sammutus-säiliöstä 140 putken 148 kautta, lisätään edullisesti pää-tuotekaasuvirtaan suuntaamalla putkessa 148 oleva kaasu sopivaan kohtaan tuotekaasun jäähdytys- ja puhdistussysteemiä, kuten kuvion 1 putkeen 30 tai kaasuvirtaan ennen 20 sen lopullista jäähdytysvaihetta.

Viitaten uudelleen astiaan 100 kuuma tuotekaasu poistetaan astiasta kaasun poistoputken 150 kautta, joka sijaitsee astian yläpäässä kuivausvyöhykkeen yläpuolella. Kuten kuvion 1 yhteydessä mainittiin, astiasta 100 poistu-; -· 25 va tuotekaasu voidaan johtaa lämmön talteenottosysteemin

Ja sen jälkeen absorptiolaitteen läpi H2S:n ja muiden epä-mieluisten komponenttien poistamiseksi kaasusta. Kuvion 1 lämmön talteenottosysteemi 28 voi sisältää höyrygeneraat-. .·. torin, syöttöveden kuumentimen tai muun lämmönvaihtoväli- 30 neen. Tyypillisesti lämmön poiston viimeinen vaihe suori-'' tetaan lämmönvaihdolla jäähdytysveden kanssa ja se johtaa vesihöyryn kondensoitumiseen ja nestemäisen veden muodostumiseen. Tämä kondensoitu vesi on edullista palauttaa ' sammutussäiliöön 140 putken 142 kautta.

• · · • · · • · ie 8 5 516

Kuten US-patentissa 4 773 918 mainittiin, saattaa olla edullista varustaa kaasutusastia 100 poltinlaitteella kuuman kaasuvirran aikaansaamiseksi astiaan 100 sen esi-lämmittämiseksi ennen toiminnan aloittamista ja valinnai-5 sesti lisälämpölähteen aikaansaamiseksi toiminnan aikana. Samoin kuten kuviossa 1 on esitetty, hapanta kaasua absorboiva laite 32 voi olla liitetty mukaan aikaansaamaan kosketus absorptioaineen ja tuotekaasun välille haitallisten happamien kaasujen, kuten H2S:n ja vastaavien poistamiseksi 10 tuotekaasusta niin, että se voidaan muuttaa sopivaksi käytettäväksi polttoaineena kaasuturbiinissa tai muihin tarkoituksiin.

Koska kuumentimien, höyrygeneraattoreiden, konden-sointi- ja absorptiolaitteiden toiminta on normaalia tek-15 nilkkaa, näitä oheiskomponentteja, joita käytetään musta-lipeän kaasutussysteemissä, ei tarvitse selostaa yksityiskohtaisesti .

Prosessin toiminnan aikana on toivottavaa, että lämpötila pidetään suhteellisen muuttumattomana kaasutus-20 vyöhykkeessä 104, esim. 1 000 °C:ssa vyöhykkeen siinä osassa, joka on sulan suolan keräymän 108 yläpinnan vieressä. Tämä voidaan toteuttaa säätämällä ilman ja mustalipeän välistä suhdetta ylös- tai alaspäin lämpötilan kohottamiseksi tai alentamiseksi vaaditulla tavalla halutun arvon yl-25 läpitämiseksi. Jos muita parametreja, kuten mustalipeän koostumusta, ilman esilämmitystä ja lämpöhäviötä ei vaih- della, tämä toimintatapa johtaa tuotekaasun muodostumi-seen, jolla on suhteellisen muuttumaton koostumus ja lämpöarvo. Tuotekaasun lämpöarvoa voidaan haluttaessa nostaa 30 syöttämällä korkean lämpöarvon polttoainetta, kuten öljyä tai maaöljykoksia, kaasutusvyöhykkeeseen, nostamalla ilma-syötön lämpötilaa tai vähentämällä lämpöhäviötä esimerkiksi lisäämällä eristystä. Kaasumaista polttoainetta, kuten * luonnonkaasua tai haihtuvia hiilivetyjä, voidaan luonnol- .·. : 35 lisesti lisätä suoraan tuotekaasuun sen lämpöarvon nostamiseksi.

li i9 8551 6

Suolatuote 141, joka virtaa ulos astiasta 100 sam-mutussäiliöön 140, liuotetaan veteen soodalipeän muodostamiseksi. On edullista käyttää sammutussäiliötä samassa paineessa kuin kaasutusastiaa, jotta vältettäisiin sulassa 5 suolassa toimivan paineensäätöventtiilin tarve. Soodali-peä, joka sisältää liuennutta natriumsulfidia, voidaan kierrättää massankeittoprosessiin tai käyttää muihin tarkoituksiin.

KaasutusvyÖhykkeestä 104 kohoava kaasu sisältää 10 CO:a, H2:ä, H20:ä, C02:a, CH4:a ja jos käytetään ilmaa, N2:ä ja erilaisia hivenkomponentteja ja epäpuhtauksia ja sen lämpötila on noin 870 - 1 200 °C. Kaksi erityisen mielenkiintoista epäpuhtautta ovat H2S, joka on peräisin syötetyssä mustalipeässä olevasta rikistä, ja natriumsulfidin 15 hienot hiukkaset, jotka ovat muodostuneet höyrystymis- ja reaktioilmiöiden kautta. Kun kaasu kulkee sitten kuivaus-vyöhykkeen 102 läpi, se jäähdytetään lämpötilaan noin 350 - 850 °C riippuen sen lämpötilasta sen tullessa kuivauvyö-hykkeeseen, mustalipeän vesipitoisuudesta ja vastaavista 20 tekijöistä. Kaasu on edullista jäähdyttää lämpötilaan, jossa natriumsuolojen hiukkaset ovat kiinteitä, mikä on alle noin 790 °C tyypillisillä suolakokoonpanoilla.

Kuten yllä huomautettiin, happea sisältävää kaasua syötetään hallitusti astian 100 kaasutusvyöhykkeeseen 104 25 ja pelkistysvyöhykkeeseen 106 mustalipeässä olevan hiili-pitoisen materiaalin osittaisen hapettumisen aikaansaamiseksi, vaaditun korkean lämpötilan synnyttämiseksi ja haluttujen tuotteiden muodostamiseksi. Happea sisältävä kaasu on sopivasti ja edullisesti ilma; haluttaessa voidaan 30 käyttää hapella rikastettua ilmaa tai puhdasta happea.

Vaikka puhdasta happea voidaan käyttää keksinnön mukaisessa menetelmässä, se on vähemmän toivottavaa kuin ilma tai happirikasteinen ilma johtuen hapen korkeasta hinnasta ja vaatimuksesta sijoittaa happilaitos lähelle mustalipeän 35 kaasutussysteemiä. Yleensä kaasutusvyöhykkeestä lähtevän i il ' i ft 20 8551 6 kaasun nopeus ylöspäin ei saisi ylittää arvoa noin 6,1 m/s ja sen tulee edullisesti olla 0,6 - 4,8 m/s.

Paineen kaasutusastiassa 100 tulee olla välillä 101 - 5 065 kPa, normaalia ilmanpainetta korkeamman paineen 5 ollessa toivottava. Edullisesti tulee käyttää noin 303 -3 040 kPa:n painetta. Normaalia ilmanpainetta korkeamman paineen käyttö on toivottavaa useista syistä. Menetelmän turvallisuus paranee käytettäessä normaalia ilmanpainetta korkeampaa painetta, koska kohotettu paine estää räjähdyk-10 set, joita saattaa sattua sekoitettaessa sulatetta ja vettä sulatteen sammutusprosessissa. Tuotekaasun tilavuus ja siitä johtuen menetelmän toteuttamiseen tarvittavan laitteiston koko pienenee jopa kertoimella noin 20:1, kun käytetään normaalia ilmanpainetta korkeampia paineita. Tämä 15 pienentää sekä kustannuksia että lämpöhäviöitä. Lisäksi suolan höyrystyminen vähenee, mikä poistaa menetelmässä tuotetun kaasun laajan puhdistuksen tarpeen. Kohotettu paine helpottaa höyryfaasiepäpuhtauksien, kuten rikkivedyn poistoa tuotekaasusta käyttämällä absorptio- tai adsorp-20 tioprosesseja. Muuna etuna menetelmän käyttämisestä paineen alaisena on prosessin kasvanut lämpöhyötysuhde, mikä johtuu sulatteen lämpöenergian osittaisesta talteenotosta, jonka tekee mahdolliseksi sammutussäiliön liuoksen kiehumispisteen kohoaminen, kun paine kasvaa. Muuna etuna on, 25 että tuotekaasu on saatavissa paineessa, jota vaaditaan ·' käyttöön seuraavissa operaatioissa, kuten syötössä kaasu- turbiiniin.

Lämpötiloja kaasutusvyöhykkeessä 104 sulan suolan keräymän 108 yläpinnan vieressä pidetään noin 800 - 1 200 30 °C:ssa ja edullisesti noin 900 - 1 070 °C:ssa. On huomattava, ettei kaasutusvyöhyke toimi täysin yhtenäisessä lämpötilassa. Korkein lämpötila tässä vyöhykkeessä on normaalisti lähellä sulan suolan keräymän pintaa, jossa ruisku-'· . tettu happi reagoi hiilipitoisen materiaalin kanssa. Lä- 35 hellä kaasutusvyöhykkeen yläosaa lämpötilat laskevat, kun kaasu lähestyy kuivausvyöhykettä.

f k 2i 85516

Kaasutusvyöhykkeestä kohoavat korkean lämpötilan kaasut jäähdytetään noin 350 - 850 °C:n lämpötilaan niiden kulkiessa kuivausvyöhykkeen läpi. Tämä jäähdytysvaihe edustaa tämän keksinnön lisäetua siten, että se saa sulan 5 suolan pisarat, jotka saattaisivat kulkeutua kohoavan kaasun mukana, jähmettymään ennen kuin ne poistuvat reaktorista. Tuloksena olevat kiinteät hiukkaset eivät takerru tuotekaasun prosessointisysteemin lämmönsiirtopinnoille ja muuhun laitteistoon eivätkä syövytä niitä. Sulan suolan 10 keräymän pelkistysvyöhykkeessä lämpötilat voivat olla jonkin verran alemmat kuin kaasutusvyöhykkeessä, mikä johtuu pelkistysvyöhykkeessä tapahtuvista endotermisistä rikin pelkistysreaktioista. Lämpötiloja on kuitenkin pelkistys-vyöhykkeessä pidettävä riittävän korkeina, jotta taattai-15 siin se, ettei tapahdu suolojen jähmettymistä ja että pelkistysreaktiot voivat tapahtua suurella nopeudella. Lämpötila-alue noin 860 - 1 100 °C on käyttökelpoinen ja edullinen alue on noin 870 - 1 050 °C sulan suolan keräymän pel-kistysvyöhykkeelle.

20 On erittäin tärkeää, että lämpö säilyy kaasutus- ja pelkistysvyöhykkeissä. Muussa tapauksessa lämpöhäviöt vaativat suurempaa ilman ja mustalipeän syöttösuhdetta lämpötilan ylläpitämiseksi. Kun ilman ja mustalipeän välistä suhdetta nostetaan, tapahtuu täydellisempi palaminen, eri-25 tyisesti erittäin eksotermiset reaktiot C02:ksi ja H20:ksi C0:sta ja H2:sta. Tämä kompensoi lämpöhäviötä, mutta huonontaa tuotekaasun lämpöarvoa. On jonkin verran merkityk-settömämpää minimoida lämpöhäviötä kuivausvyöhykkeestä, koska lämpöhäviöt tästä vyöhykkeestä pääasiassa alentavat 30 tuotekaasun lämpötilaa, mutteivät lämpöarvoa.

Lämpöhäviötä kaikista kolmesta vyöhykkeestä vähennetään käyttämällä eristysmateriaalia 112. Mitä tahansa eristettä voidaan käyttää tähän tarkoitukseen. Esimerkiksi eristävät pintakerrokset, valettavat tulenkestävät aineet, 35 palotiilet, lasikuitu ja kaakeli ovat sopivia. Materiaa- Λ 22 8 5 5 1 6 lien, jotka ovat kosketuksessa korkean lämpötilan sulan suolan ja suolahöyryjen kanssa, on kestettävä näiden aineiden vaikutusta. Esimerkiksi erittäin puhtaiden sulatus-valettujen alumiinioksidiharkkojen on havaittu olevan mel-5 ko tehokkaita käytettäväksi sulatetta kestävänä tulenkestävänä verhouksena 113.

Lämpöhäviöiden hallinta on tämän keksinnön tärkeä piirre ja se on selvä vastakohta käytännölle, jossa käytetään hyväksi Tomlinsonin kattilaa tai sen vastinetta, jos-10 sa mustalipeän poltossa syntynyttä lämpöä käytetään veden muuttamiseen höyryksi reaktorissa olevissa kattilaputkis-sa. Sen sijaan että poistettaisiin lämpö tällä tavoin palavan kaasutuotteen valmistamiseksi, jolla on haluttu ylempi lämpöarvo, on todettu välttämättömäksi estää lämmön 15 häviäminen. Erityisesti kun halutaan saada tuotekaasulle ylempi lämpöarvo (HHV), joka on vähintään noin 3 353 kJ/m3, on tarpeen suunnitella systeemi siten, että kokonaislämpö-häviö kaasutus- ja pelkistysvyöhykkeistä on alle noin 396 kJ/kg syötettyä mustalipeää ja edullisesti alle 1 163 20 kJ/kg.

Jotta rajoitettaisiin näistä vyöhykkeistä säteilystä ylöspäin kylmempään kuivausvyöhykkeeseen aiheutuvaa lämpöhäviötä, on toivottavaa, että rajoitetaan astian poikkipinta-alaa kaasutusvyöhykkeen yläosassa. Esimerkiksi 25 poikkipinta-ala, joka on alle noin 18,4 cm2/kg/h syötettyä mustalipeää, rajoittaa säteilyhäviöt alle noin 1 163 kJ/kg:n mustalipeää tyypillisissä käyttöolosuhteissa. Koska jonkin verran johtumisesta astian seinämien ja lattian läpi aiheutuvaa lämpöhäviötä on myös odotettavissa, vaadi-. . 30 taan tavallisesti poikkipinta-alaa, joka on alle noin 1,64 cm2/kg/h mustalipeää. Näin ollen kaupallinen laitos, joka käsittelee 100 t/d syötettyä mustalipeää (3 780 kg/h), vaatisi kaasutusvyöhykkeen yläosassa alle 6,2 m2:n poikki-ν' : pinta-alan tai alle noin 2,75 m:n sisähalkaisijän pyöreäl- : 35 lä poikkileikkauksella. Vielä pienemmät poikkipinta-alat li 23 8551 6 ovat edullisia (esim. alle noin 12,3 cm2/kg/h) ja voidaan vaivattomasti saavuttaa hyväksyttävillä kaasun nopeuksilla toimimalla korotetuissa paineissa. Poikkipinta-alan pienentäminen johtaa välttämättä kaasun nopeuden kasvuun kaa-5 sutusastiassa, ellei muita olosuhteita muuteta. Niinpä liian suurten nopeuksien välttämiseksi toimittaessa edullisella alueella olevalla poikkipinta-alalla on toivottavaa käyttää kaasutusastiaa korotetussa paineessa.

Lämpöhäviö tai lämmön poisto, joka mainittiin edel-10 lä olevassa selostuksessa, viittaa vain lämpöön, joka poistuu kaasutus- ja pelkistysvyöhykkeistä säteilemällä ylöspäin tai johtumalla seinämiin tai niiden läpi ja joka on tämän vuoksi hallittavissa sopivalla systeemin suunnittelulla. Lisäksi on tärkeää, että mustalipeä on lähes täy-15 sin kuivattu, ennen kuin se tulee kaasutusvyöhykkeeseen niin, ettei lämpöä kulu veden hyörystämiseen ja että molempiin alempiin vyöhykkeisiin syötetty ilma esikuumenne-taan sen lämmön minimoimiseksi, joka vaaditaan sen lämpötilan nostoon. Tietyt lämpöhäviöt ovat kuitenkin väistä-20 mättömiä ja yläraja mustalipeän lämpöarvolle, joka voidaan muuttaa tuotekaasun lämpöarvoksi, asettuu noin 75 %:n ylärajalle. Väistämättömiin lämpöhäviöihin kuuluvat tuotekaasun ja tuotesulatteen vapaa lämpö ja sulatteessa olevan sulfidin lämpöarvo.

25 Jotta saavutettaisiin haluttu vesipitoisen mustali peän kaasutus esillä olevan keksinnön mukaisessa prosessissa, vesipitoista mustalipeää syötetään astian 100 kui-vausvyöhykkeeseen 102 tavalla, joka aikaansaa mustalipeän riittävän pinta-alan, joka on suorassa kosketuksessa kuu-30 man kaasun kohoavaan virtaan, ja riittävän kosketusajan. Mustalipeä voidaan ruiskuttaa astiaan putoavien pisaroiden muodostamiseksi, jotka kuivataan kaasutusvyöhykkeestä kohoavilla kaasuilla, veden höyrystyessä mustalipeästä, en-nen kuin mustalipeä poistuu kuivausvyöhykkeestä.

24 8 5 51 6

Suihkupisarat voivat myös osua kuivausvyöhykkeessä astian seinämiin, joihin ne tarttuvat ja kuivuvat muodostaen hiipitoisen materiaalin ja suolojen kerrostumia, jotka sen jälkeen putoavat seinämiltä kaasutus- ja pelkistys-5 vyöhykkeisiin. Ei ole kuitenkaan toivottavaa syöttää mus-talipeää niin hienona suihkuna, että suihkun pisarat tai tuloksena olevat kuivatut, hienojakoiset mustalipeän kiintoaineet kulkeutuvat kaasutusastian läpi kohoavien kuumien kaasujen mukana pois. Suihkun karkeus säädetään siten, 10 että tapahtuu riittävä kuivuminen ja mahdollisimman vähän poiskulkeutumista.

Kaasulla, joka on muodostunut mustalipeän kiintoaineiden kaasutuksen tuloksena, on kuivana ylempi lämpöarvo, joka on vähintään noin 3 353 kJ/m3, johtuen pääasiassa 15 CO:n, H2:n ja CH4:n läsnäolosta. Kun tuotekaasu kohoaa mustalipeän kuivausvyöhykkeen läpi, sen vesihöyrypitoisuus kasvaa ja lämpötila laskee tuloksena veden haihtumisesta mustalipeästä. Lisäksi vesihöyrypitoisuuden kasvu saa ve-si-kaasumuutosreaktion tapahtumaan seuraavasti 20 CO + H20 ---> C02 + H2 Tämä johtaa kaasun koostumuksen muutokseen siten, että kuivausvyöhykkeen huipulta lähtevä kaasu sisältää ' '·· 25 vähemmän CO:a ja enemmän H2:a kuin kaasutusvyöhykkeestä : : : lähtevä kaasu. Reaktio ei kuitenkaan muuta oleellisesti ylempää lämpöarvoa.

Kuivausvyöhykkeestä poistuvaa kaasua voidaan käsi-. .·, teliä lukuisilla tavoilla. Edullisesti sen vapaata lämpöä -30 käytetään höyryn kehittämiseen höyrygeneraattorissa tai muuhun lämpöhuoltoon. Useimmissa sovellutuksissa on toivottavaa poistaa vesihöyry, hienot suolahiukkaset ja H2S kaasusta ennen sen käyttämistä. Nämä vaiheet voidaan toteuttaa tavanomaisessa laitteistossa, kuten jäähdyttimessä 35 vesihöyryn poistamiseksi, absorptiokontaktoreissa, joissa li 25 85516 käytetään alkalista liuoksia H2S:n absorboimiseen, ja savu-kaasupesureita tai kangasssuodattimia hiukkasmaisen aineen poistamiseen. Näissä vaiheissa talteenotettu vesi, suola ja rikki voidaan kierrättää selluloosatehtaaseen tai kaa-5 sutusprosessiin. Joissakin tapauksissa saattaa olla toivottavaa puhdistaa tuotekaasu, kun se poistuu kaasutusas-tiasta, ilman lisäjäähdytystä niin, että kaasussa ja vesihöyryssä olevaa vapaata lämpöä ja puristusnergiaa voidaan käyttää kaasuturbiinissa tai muussa energian muutossystee-10 missä.

Kuten osoitettiin, purettu sulate 141 virtaa astiasta 100 putken 138 kautta sammutussäiliöön 140, jossa se liuotetaan veteen kaasutusastian paineessa. Sulate jähmettyy ja sulkee virtaustien, jos sen annetaan jäähtyä 15 alle noin 760 °C:n sen ollessa kosketuksessa purkaussuutin-ten kanssa. Tämän vuoksi on toivottavaa antaa osan kaasu-tusvyöhykkeestä tulevasta korkean lämpötilan kaasusta virrata sulatteen purkausputken läpi auttamaan korkean lämpötilan ylläpitämisessä tässä putkessa. Tämä kaasu virtaa 20 sammutussäiliöön 140, josta se voidaan laskea tuotekaasu-systeemiin alavirtaan kaasuttimesta olevassa kohdassa. Sulatteen virtauksen esteettömän reitin ylläpitämiseen voidaan käyttää muita välineitä, kuten apupolttimia ja mekaanisia rouhinsysteemejä.

25 Seuraavat esimerkit kuvaavat tätä keksintöä, mutta niiden tarkoituksena ei ole rajoittaa sen suojapiiriä.

' . Esimerkit Tämän keksinnön tekijä osoitti aikaisemmin sarjassa koepenkkimittakaavassa testejä menetelmän peruskemian, 30 joka liittyy väkevöidyn vesipitoisen mustalipeän suolasu-latekaasutukseen. Nämä suoritettiin sisähalkaisijaltaan 152,4 mm:n koepenkkimittakaavan kaasutusastiassa, johon oli asennettu sähköuuni, jota voitiin käyttää lämpöhäviöi-den minimoimiseen seinämien läpi. Tuotekaasun ylemmät läm-35 pöarvot (HHV kuivana) olivat 4 470 - 5 216 kJ/m3 riippuen 26 85 51 6 mustalipeän koostumuksesta ja muista muuttujista. Sulatteesta talteen saatu rikki oli yleensä 90-%:isesti nat-riumsulfidin muodossa. Paineen vaikutukset peruskemiaan osoitettiin myös aikaisemmin koeohjelmilla.

5 Mustalipeän suolasulatekaasutusprosessin kaupalli sen potentiaalin osoittamiseksi tarkemmin modifioitiin monikäyttöistä sulan suolan testauslaitetta (MSTF) musta-lipeän kaasutusastian aikaansaamiseksi, joka kykenee demonstroimaan tätä menetelmää koetehdasmittakaavassa. Muun-10 nos käsitti kolmivyöhykkeisen kaasutusastian, joka koostui vesipitoisen mustalipeän kuivausvyöhykkeestä, mustalipeän kiintoaineiden kaasutusvyöhykkeestä ja suolasulatteen rikin pelkistysvyöhykkeestä.

Käytetty MSTF koostuu astiasta, jonka sisähalkaisi-15 ja on noin 838 mm ja sisäkorkeus noin 4 242 mm. Alempi 2 438 mm:n osa on vuorattu sulatusvaletuilla alumiinioksi-ditiilillä, joiden paksuus on noin 152 mm ja jotka on tuettu takaa noin 123 mm:n kerroksella paljon alumiinioksidia sisältävää valettavaa tulenkestävää ainetta. Nämä 20 materiaalit kestävät erittäin hyvin korkean lämpötilan sulan suolan vaikutusta, mutta eivät ole tehokkaita lämpö-eristeenä. Lämpöhäviöiden pienentämiseksi kaasutus- ja pelkistysvyöhykkeistä 3,2 mm paksu kerros mineraalikuitu-eristyspaperia asennettiin metalliastian ulkopuolelle; 25 tehokkaampaa paksumpaa kerrosta ei voitu kuitenkaan käyttää aiheuttamatta metalliastian sallitun lämpötilan ylit-: tämistä.

Mustalipeän kaasutuksen aikaisemmassa testauksessa ja analyyttisissä tutkimuksissa tämän keksinnön tekijä oli . · 30 osoittanut, että ratkaiseva vaatimus palavan kaasun tuot tamiselle, jonka HHV on yli 3 725 kJ/m3 ja sulatteen pel-. kistyminen yli 90-%:isesti sulfidiksi, oli se, että yhdis- * tetyistä kaasutus- ja pelkistysvyöhykkeistä menetetyn läm mön tulee edullisesti olla alle noin 1 163 kJ/kg syöttöä 35 tyypillisellä mustalipeän koostumuksella. Koska MSTF-as- 27 8551 6 tian alkuperäinen tarkoitus oli testata kemikaalijätteen hävittämistä täydellisellä poltolla, tuotannon maksimoimiseksi yksikkö suunniteltiin sallimaan hyvin suuri lämpöhä-viömäärä seinämien läpi (noin 633 000 - 844 000 kJ/h).

5 Näin ollen johtuen MSTF-astian alkuperäisestä suuren läm-pöhäviön suunnittelusta, mustalipeän kaasutusohjelman ratkaisevat tavoitteet koetehdastasolla rajoittuvat suhteellisen suuren mittakaavan laitteiston toimintakyvyn osoittamiseen ja suorituskyvyn ennustettavuuden aikaansaamiseen 10 perustuen koepenkkimittakaavan kokeisiin ja analyyttisiin tutkimuksiin.

Kaksi ratkaisevaa rakennemuutosta tehtiin MSTF-as-tiaan tämän keksinnön mukaisesti. Sulatteen poistoaukko, joka oli 1 930 mm astian pohjan yläpuolella, suljettiin 15 keraamisella tulpalla ja peitettiin suojalaipalla. Uusi sulatteen ylivirtauskouru suunniteltiin ja valmistettiin koetoimintaa varten ja asennettiin 356 mm astian pohjan yläpuolelle. Alentamalla sulatteen poistoaukkoa pienennettiin sulatevarastoa ja aikaansaatiin suhteellisen matala 20 allas.

Neljän olemassa olevan, ilman ruiskuttamiseen sulan suolan keräymään käytetyn suuttimen lisäksi, kuusi uutta suutinta sijoitettiin 508 mm:n korkeudelle astian pohjan yläpuolelle niin, että se teki mahdolliseksi osan ruisku-25 tetusta ilmasta ruiskuttamisen sulatekeräymän yläpuolelle.

Nämä uudet suuttimet sijaitsivat tasavälein astian kehän ympärillä ja osoittivat alaspäin ja sisäänpäin 45 °:n kulmassa niin, että ilma suuntautui kohti sulan suolan keräy-män pintaa. Tasapainottavia suukappaleita käytettiin jo-30 kaisessa suuttimessa tasaisen ilman jakautumisen aikaan saamiseksi yksittäisiin ilma-aukkoihin. Muutoksia tehtiin myös mustalipeän ruiskutussysteemiin pyrkimyksenä lisätä ja ylläpitää mustalipeän virtausta.

Koko ajoaika koostui noin 46 tunnin toiminnasta 35 mustalipeän syötön aloittamisesta systeemin sulkemiseen ja 28 8 5 5 1 6 se sisälsi 14 koetta. Noin 8 618 kg mustalipeää kaasutettiin; mustalipeän virtaus ei kuitenkaan ollut jatkuvaa koko ajon ajan.

Kaasutusastia käynnistettiin asettamalla ensin il-5 mavirtaukset nimellisarvoihin täyden kuorman olosuhteita varten, esimerkiksi kaasun nimelliselle pinnanmyötäiselle nopeudelle 1,5 m/s 980 °C:ssa. Ilman kokonaisjakautuma kaa-sutusastiaan asetettiin alunperin syöttämään noin 40 % ilmasta kuuteen yläsuuttimeen (sulatteen yläpuolelle) ja 60 10 % ilmasta pohjalla oleviin neljään suuttimeen (sulattee seen). Tämä suhde käännettiin kuitenkin päinvastaiseksi kokeissa 10 - 14. Kuuteen yläsuuttimeen tuli esilämmitet-tyä ilmaa; neljään pohjalla olevaan suuttimeen tuli ympäristön lämpötilassa olevaa ilmaa. Väliaikainen luonnonkaa-15 supoltin asennettiin astian ylimpään osaan yksikön esiläm-mittämiseksi. Kaasutusastia esikuumennettiin 930 - 980 °C:seen ennen ajoa.

Taulukko 1 esittää kokeissa käytetyn mustalipeän analyysiä.

20 Koetulosten analyysi osoitti, että tuotekaasulla oli kuivana maksimi HHV-arvo 1 948 kJ/m3 muuttumattoman toiminnan aikana ja sulatteessa olevan rikin maksimipel-kistys oli 67,4 %. Kuten mainittiin, MSTF-astian suunnittelusta johtuen ei ollut mahdollista nostaa näitä arvoja *·· 25 merkittävästi ajon aikana muutoksilla, jotka sallisivat toiminnan alemmalla ilman ja polttoaineen välisellä suhteella, esimerkiksi aikaansaamalla astialle lisäeristys tai nostamalla mustalipeän syöttönopeutta.

Kokeet 10 ja 13 (kts. taulukko 2) ovat tyypillisiä 30 esimerkkejä MSTF:n suorituskyvystä tämän keksinnön konfi-guraatiossa. Vertailun vuoksi taulukkoon on sisällytetty tulokset aikaisemmasta kokeesta, jota on merkitty testiksi A. Tämän aikaisemman kokeen aikana kaikki ilma syötettiin syvän sulan suolan keräymän pinnan alapuolelle.

li 29 8 5 5 1 6

Suunnilleen samalla ilman ja mustalipeän välisellä suhteella toteutettujen kokeiden 13 ja A vertailu osoittaa, että sulatekeräymän syvyyden pienentämisellä 1 930 mm:stä 356 mm:iin ei ollut haitallista vaikutusta tuote-5 kaasun lämpöarvoon. Rikin pelkistyshyötysuhteen havaitaan olevan merkittävästi korkeampi molemmissa kokeissa 10 ja 13 kuin kokeessa A. Tätä voidaan pitää jaetun ilmasyöttö-järjestelyn aiheuttamana kokeissa 10 ja 13, jolloin vain 37 % johdetaan sulatekeräymän läpi ja loppuosa ruiskute-10 taan kaasutusvyöhykkeeseen. Tämä järjestely salli myös syöttää enemmän kokonaisilmaa (ja tämän vuoksi enemmän mustalipeää) kaasuttimeen testien 10 ja 13 aikana ilman, että sulatteen pisaroita kulkeutui liikaa pois. Tämän seurauksena yksikköä voitaisiin käyttää pienemmällä ilman ja 15 mustalipeän välisellä suhteella testin 1 aikana ylemmän lämpöarvon kaasun tuottamiseksi kuin on mahdollista kokeeseen A käytetyllä konfiguraatiolla.

30 8 5 51 6

Taulukko 1 MSTF-ajossa käytetyn mustalipeän analyysi

Kiintoaineväkevyys, paino-%_Märkänä_Kuivana_ 5 Kiintoaineväkevyys, paino-% 66,47 100,0 pH 12,8 -

Tiheys, g/cm3 @ 25 °C:ssa 1/41

Palamislämpö, kJ/kg 10 027 15 084

Alkuaineanalyysi, paino-% 10 Hiili'* 24,80 37,31

Vety'* 2,27(b 3,41

Orgaaninen hiili 25,46 38,30

Natrium 13,90 20,91

Kalium 1,24 1,87 15 Kalsium 0,02 0,03

Magnesium 0,01 0,02

Rauta 0,01 0,01

Alumiini <0,01 <0,01

Kokonaisrikki 2,71 4,07 20 Alkuainerikki 0,08 0,12

Polysulfidirikki 0,05 0,07

Yhdisteet, paino-%

NaOH 0,37 0,55

Na2S 4,11 6,18 . 25 Na2C03 4,63 6,97

Na2S04 2,68 4,03 : - Na2S03 0,01 0,01 !: ' Na2S203 1,38 2,07 : / NaCl 0,09 0,14 V.·’ 30 Na2C204 0,93 1,40

Metoksyyli (0-CH3) 3,16 4,76 Mäntyöljy 0,56 0,85 :*" Haihtuvat hapot 7,06 10,62 . 35 a) Näyte kuvattu ennen analyysiä; on saattanut menettää haihtuvia orgaanisia aineita.

b) Ei sisällä vedessä olevaa vetyä.

li 3i 8551 6

Taulukko 2 MSTF-koetulokset

Ajo n:ot_10_13_A

5 Sulatekeräymän syvyys, cm 14 14 76

Ilman jakautuminen, %

Sulatekeräymään 37 37 100

KerSymän pinnan yläpuolella 63 63 0

Mustalipeäsyöttö, kg/h 844 674 530 10 Ilman syöttö, kg/h 1460 1426 1180

Ilman ja mustalipeän painosuhde 1,74 2,12 2,23 Lämpötilat, °C (°F)

Sulatekeräymä 886 964 993 (1627) (1767) (1820) 15 Syöttöilma 230 231 462 (446) (448) (864)

Mustalipeä 102 94 77 (216) (201) (170)

Tuotekaasuanalyysi, til-% kuivana 20 H2 7,7 5,0 4,8 C02 17,3 16,3 16,4

Ar 0,8 0,9 0,9 N2 67,2 73,3 74,4 CH4 0,6 0,3 0,5 25 CO 6,4 4,3 3,2

Tuotekaasua HHV, kJ/m3 1947 1229 1173

Sulatteen koostumus, paino-%

Na2C03 6 8,4 7 5,3 74,0

Na2S 16,6 8,9 0,2 . 30 Na2S03 0,7 1,1 0,1

Na2S04 14,3 28,1 25,7

Pelkistyshyötysuhde, % 67,4 38,6 1,4 32 855 1 6

Koe 10 edustaa MSTF:n suurinta muuttumatonta toimintakykyä lopullisessa konfiguraatiossa mitä tulee tuotantomäärään, tuotekaasun lämpöarvoon ja rikin pelkistykseen. Tuotantoa rajoittaa sallittavissa oleva kaasun no-5 peus ja sitä voitaisiin lisätä nostamalla käyttöpainetta tai vähemmässä määrin toimimalla pienemmällä ilman ja mus-talipeäsyötön välisellä suhteella. Tuotekaasun lämpöarvoa ja rikin pelkistyshyötysuhdetta voitaisiin myös parantaa toimimalla pienemmällä ilman ja mustalipeän välisellä suh-10 teella; tämä toimintatapa saisi kuitenkin systeemin lämpötilan laskemaan ellei lämpöhäviötä painoyksikköä kohti pienennetä. Tämä voidaan toteuttaa joko pienentämällä ko-konaislämpöhäviötä (esim. käyttämällä lisäeristystä) tai kohottamalla sallittavissa olevaa syöttönopeutta (esim.

15 nostamalla painetta).

Olosuhteissa, jotka ovat saavutettavissa MSTF-as-tiassa, tulokset osoittivat, että toiminta, jossa ruiskutetaan merkittävä osa (30 - 70 %) ilmasta sulan suolan ke-räymän yläpuolelle, johtaa tehokkaampaan rikin pelkistyk-20 seen kuin toiminta, jossa 100 % ilmasta ruiskutetaan ke-räymän pinnan alapuolelle, ja tekee myös mahdolliseksi toiminnan suuremmalla kaasun tuotantonopeudella. Tulokset osoittavat myös, että hyvin matala sulatekeräymä (nimel-lissyvyys noin 356 mm) on yhtä tehokas mustalipeän kaasu-25 tuksessa kuin syvä keräymä (1 930 mm).

Nyt kyseessä olevat kokeet verrattuna aikaisempiin : kokeisiin sekä koepenkkimittakaavassa että koetehdastasol- la osoittavat, että ilman ja mustalipeän välisen suhteen alentaminen johtaa sekä tuotekaasun HHV-arvon että sulat--·; 30 teen rikin pelkistyshyötysuhteen kasvuun. Tulokset osoit- tavat, että yli 90-%:inen rikin pelkistyshyötysuhde saavutetaan, kun ilman ja mustalipeän välinen suhde lasketaan pisteeseen, jossa kaasun HHV ylittää noin 2 235 kJ/m3. Tämä : : : tekee mahdolliseksi koetehdasmittakaavan tulosten perus- ·* ; 35 teella osoittaa, että kaupalliset laitokset toimivat tuot- 33 8551 6 taen kaasua, jonka HHV on yli 3 725 kj/m3, ja sulatetta, jossa rikkisisältö on yli 90-%:isesti sulfidin muodossa.

On tiedossa, että sulfaattiselluloosan valmistusmenetelmä on noin 100 vuotta vanha. Koska kemikaalit, joita 5 käytetään keittolipeäseoksessa selluloosaraaka-aineiden käsittelyyn, ovat liian kalliita hävitettäviksi, selluloo-saprosessin keksimisestä alkaen on tehty monia yrityksiä näiden keittomateriaalien talteenottamiseksi ja satunnaisesti lämmön talteenottamiseksi polttamalla puusta liuen-10 nut lipeän orgaaninen aine. Tomkinsonin kattila otettiin käyttöön noin 50 vuotta sitten halutun talteenoton täydentämiseksi. Aikaisemmin mainituista Tomkinsonin kattilan haitoista johtuen monia muutoksia siihen ja sitä korvaavia laitteita on ehdotettu.

15 Esillä olevalla menetelmällä vältetään muiden ehdo tettujen menetelmien epäkohdat siten, että siinä käytetään identtistä väkevöityä syötetyn mustalipeän raaka-ainetta ilman, että syötetty raaka-aine on esikuivatettava, hapetettava, hydrolysoitava tai esivalmisteltava muulla 20 tavoin. Niin ikään esillä oleva menetelmä tuottaa sulatteen, joka on oleellisesti identtinen Tomkinsonin kattilalla tuotetun sulatteen kanssa. Johtuen yllä mainituista edullisista piirteistä, samoin kuin siitä, että esillä olevassa menetelmässä käytetään yksikomponenttista astiaa, 25 tämä menetelmä voidaan helposti liittää olemassa oleviin • pumppulaitossysteemeihin korvaamaan tai täydentämään Tom kinsonin kattiloita.

Tulee oivaltaa, että erilaisia muunnoksia käyttäen hyväksi mustalipeän talteenottoalalla pitkään vallinneita 30 ohjeita voidaan tehdä keksinnön astian malliin ja menetelmään poikkeamatta keksinnön hengestä. Astiaan voidaan esimerkiksi suunnitella sen kuivausvyöhykkeeseen pienempi ""· halkaisija kuin kaasutus- ja pelkistysvyöhykkeissä on, jotta vähennettäisiin lämpösäteilyä näistä viimemainituis-. 35 ta vyöhykkeistä. Samoin muita kaasutusastian muotoja voi- 34 855 16 daan käyttää esitettyjen, vakiohalkaisijäisten pystysuorien pitkänomaisten seinämien sijasta. Edelleen mustali-peän syöttö voidaan pirstoa pyörivällä kiekkosumuttimellä, höyrysumuttimella tai virtauksen jakosysteemillä kuvattu-5 jen ruiskusumuttimien sijasta. Näin ollen vaikka keksinnön edullista mallia ja toimintatapaa on selostettu ja on kuvattu ja esitetty se, mitä nyt pidetään sen parhaana toteutusmuotona, on ymmärrettävää, että liitteenä olevien patenttivaatimusten suojapiirin puitteissa esillä oleva 10 keksintö voidaan toteuttaa muulla tavoin kuin nimenomaan on kuvattu ja esitetty.

Claims (14)

35 85 51 6

1. Menetelmä väkevöidyn vesipitoisen mustalipeän käsittelemiseksi palavan kaasun ja runsaasti sulfidia si-5 sältävän sulatteen muodostamiseksi, tunnettu siitä, että (a) aikaansaadaan kaasutusastia (100), jota pide tään noin 101 - 5 065 kPa:n paineessa ja joka sisältää pohjallaan suhteellisen matalan sulan suolan keräymän 10 (108) ja jossa on (i) mustalipeän kuivausvyöhyke (102) sen yläosassa, (ii) mustalipeän kiintoaineiden kaasutusvyöhyke (104) kui-vausvyöhykkeen alapuolella ja (iii) suolasulatteen rikin pelkistysvyöhykke (106), joka 15 sisältää sulan suolan keräymän; (b) syötetään kuivausvyöhykkeeseen (102) väkevöity vesipitoinen mustalipeä (114), joka sisältää hiilipitoista materiaalia ja alkalimetallirikkiyhdisteitä; (c) haihdutetaan vettä vesipitoisesta mustalipeästä 20 (114) kuivausvyöhykkeessä (102) saattamalla vesipitoinen mustalipeä kosketukseen kaasutusvyöhykkeestä (104) kohoavan kuuman kaasun kanssa kuivatun mustalipeän kiintoaineiden, jotka putoavat kaasutusvyöhykkeeseen, ja vesihöyryä sisältävän jäähdytetyn palavan kaasun tuottamiseksi; --25 (d) syötetään ensimmäinen erä happipitoista kaasua kaasutusvyöhykkeessä (104) olevaan kaasutilaan välittömäs-- : ti sulan suolan keräymän yläpuolelle hiilipitoisen materi aalin hapettamiseksi ja kaasuttamiseksi osittain, joka materiaali sisältyy vyöhykkeen läpi putoaviin kuivatun mus-30 talipeän kiintoaineisiin, kuuman, palavan kaasun muodosta-miseksi; (e) syötetään toista erää happipitoista kaasua su-lan suolan keräymään (108) sellainen määrä, joka riittää : aiheuttamaan oleellisesti kaiken kaasutusvyöhykkeestä -* - 35 (104) keräymään tulevan hiilipitoisen materiaalin kaasuun- 36 8 5 5 1 6 tumisen, mutta joka ei riitä synnyttämään hapettavia olosuhteita keräymään, jolloin muodostunut kaasu kohoaa ylös keräymästä ja jolloin happipitoisen kaasun ensimmäisen ja toisen erän kokonaismäärä muodostaa 25 - 55 % happipitoi-5 sen kaasun määrästä, joka tarvitaan syötetyn mustalipeän polttamiseksi täydellisesti; (f) poistetaan jäähdytetty palava kaasu (150) kui-vausvyöhykkeen (102) yläosasta; ja (g) poistetaan sulan suolan pelkistysvyöhykkeestä 10 (106) sulate, jossa rikkisisältö on pääasiassa alkalime- tallisulfidin muodossa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kumpikin ensimmäisestä ja toisesta erästä happipitoista kaasua muodostaa 30 - 70 % 15 astiaan syötetyn happipitoisen kaasun kokonaismäärästä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että happitoinen kaasu on ilma.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasutusastiaa (100) pidetään 20 noin 304 - 3 040 kPa:n paineessa ja siitä, että astiaan syötetty väkevöity vesipitoinen mustalipeä sisältää vähintään 45 paino-% kiintoaineita ja sen ylempi lämpöarvo on vähintään noin 7 443 kj/kg.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että kaasutusvyöhykkeestä (104) lähtevä kuuma kaasu on 870 - 1 200 °C:n lämpötilassa ja kuivausvyöhykkeestä (102) lähtevä jäähdytetty palava kaasu on 350 - 850 °C:n lämpötilassa.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että lämpötila pelkistysvyöhyk-keessä on 860 - 1 100 °C.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kokonaislämpöhäviö kaasutus- : ja pelkistysvyöhykkeistä (104, 106) on alle noin 1 396 . 35 kJ/kg kaasutinastiaan (100) syötettyä mustalipeää. Il 37 8551 6

8. Laitteisto väkevöidyn vesipitoisen mustalipeän käsittelemiseksi palavan kaasun ja runsaasti sulfidia sisältävän sulatteen muodostamiseksi, tunnettu siitä, että se sisältää: 5 a) suljetun, pystysuunnassa pitkänomaisen kaasu- tusastian (100), jossa on (i) mustalipeän kuivausvyöhyke (102) astian yläosassa, (ii) mustalipeän kiintoaineiden kaasutusvyöhyke (104) kui-vausvyöhykkeen alapuolella ja 10 (iii) sulan suolan rikin pelkistysvyöhyke (106) kaasutus-vyöhykkeen alapuolella; b) kaukalo-osan astian pohjalla, joka on sovitettu pitämään sisällään alkalimetallin sulan suolan keräymän (108), joka käsittää sulan suolan rikin pelkistysvyöhyk- 15 keen (106); c) astian yläosaan sijoitetun syöttövälineen mustalipeän (114) syöttämiseksi kuivausvyöhykkeeseen (102); d) keräymän alaosaan kaukalo-osan yläpuolelle sijoitetun poistovälineen (138), joka rajoittaa sulan suola- 20 keräymän korkeutta ja poistaa sulan suolan ylivirtauksen kaukalo-osasta; e) ensimmäisen sarjan kaasutusvyöhykkeessä (104) sijaitsevia kaasun syöttövälineitä happipitoisen kaasun syöttämiseksi kaasutusvyöhykkeen (104) kaasutilaan välit- 25 tömästi sulan suolan keräymän yläpuolelle; f) toisen sarjan astian kaukalo-osassa sijaitsevia kaasun syöttövälineitä happipitoisen kaasun syöttämiseksi suoraan sulan suolan keräymään (108); ja g) poistovälineen, joka on sijoitettu astian ylä- 30 osaan ja on yhteydessä kuivausvyöhykkeen (102) yläosaan palavan kaasun poistamiseksi astiasta.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että se sisältää välineen (132) happipitoisen kaasun syötön jakamiseksi hallitusti sopi- 38 8 5 516 vassa suhteessa happipitoisen kaasun syöttövälineen ensimmäiseen ja toiseen sarjaan.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin yksi ilmakompressori 5 (126) saa aikaan paineistettua, happipitoista kaasua syö tettäväksi kaasun syöttövälineen ensimmäiseen ja toiseen sarjaan.

11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kaukalo-osan poistoväline 10 (138) on yhdistetty toisesta päästään sammutussäiliöön (140) sulatteen ylivirtauksen vastaanottamiseksi astian kaukalo-osasta.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että sammutussäiliö (140) sisältää 15 syöttöputken (142) vesilähteen syöttämiseksi sammutussäiliöön ja sisältää lisäksi kaasun poistovälineen (148) kaasujen poistamiseksi sammutussäiliöstä.

13. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mustalipeän syöttöväline si- 20 sältää ruiskusysteemin (120) väkevöidyn, vesipitoisen mustalipeän (114) ruiskuttamiseksi karkeana suihkuna kuivaus-vyöhykkeen (102) yläosaan.

14. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että astiassa (100) on ulkoseinä- 25 män metallinen suojakuori (110), joka on vuorattu eristävällä tulenkestävällä materiaalilla (112), joka kestää astiassa olevia lämpötiloja ja ympäristöä ja minimoi läm-pöhäviöt siitä. li 39 8551 6