一种棉浆泊黒液资源化系统和方法 |
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| 申请号 | CN201710446576.4 | 申请日 | 2017-06-14 | 公开(公告)号 | CN107265454A | 公开(公告)日 | 2017-10-20 |
| 申请人 | 中国科学院过程工程研究所; | 发明人 | 杨刚; 王云山; 孙勇; 安学斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 棉 浆泊黒液资源化系统和方法，所述系统包括：干燥单元、隔绝 煅烧 单元、分离单元、苛化单元和活化单元；所述隔绝煅烧单元包括加热装置；所述分离单元设有入 水 口、溶液出口和固料出口；所述隔绝煅烧单元的固料出口连接所述分离单元的入口；所述分离单元的固料出口连接所述活化单元的入口；所述分离单元的溶液出口连接所述苛化单元的入口。本发明利用隔绝空气煅烧代替传统木浆泊黒液处理工艺中的有 氧 燃烧，产物包括 活性炭 ，达到国家标准(二等品)，活性炭的产率为60％以上，实现了适合棉浆泊黒液的资源化系统和方法具有突出的经济效益和环保意义。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种棉浆泊黒液资源化系统，其特征在于，所述系统包括：干燥单元、隔绝煅烧单元、分离单元、苛化单元和活化单元； |
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| 说明书全文 | 一种棉浆泊黒液资源化系统和方法技术领域背景技术[0002] 我国是产棉大国，有着丰富的棉短绒资源，而木材资源却比较短缺，因此不像西方国家那样多使用木浆生产粘胶纤维，而是采用棉短绒制成棉浆泊作为粘胶纤维的主要生产原料。棉浆生产过程也和木浆生产过程一样，要产生大量的污染废水——黑液，但棉浆黑液和木浆黑液成分不太一样。由于棉短绒的纯度要比木材高得多，主要为纤维素与半纤维素的碱性降解产物，如树脂、脂肪皂化物、蜡质乳化物等，其固形物含量，特别是有机物含量比较低，而无机物含量比较高，因此，有些在木浆生产过程中采用的有效的黑液治理技术却无法在棉浆生产中有效地应用。目前，每生产1吨棉浆泊就要排出蒸煮黑液10吨左右，固含量在5％左右。新疆是产棉大省，按照现有新疆产能48万吨/年核算，每年排出棉浆泊黑液为480万吨，固形物为24万吨，其中Na2O含量为36.2％，则每年11.2万吨烧碱没有进入产品，成为废弃物排出。随着国家对环境保护的要求越来越高，棉浆泊生产企业不断加大对棉浆泊黑液处理技术的研究开发，投入数千万元的资金用在黑液治理上。 [0003] 目前，造纸行业传统技术是碱回收，其应用吕布兰制碱法的基本原理，将黑液中钠的有机化合物烧成碳酸钠，再经过石灰苛化，制成氢氧化钠溶液。工艺过程包括：从洗涤过程提取的黑液中，经过蒸发水分，提高黑液浓度以便于燃烧。黑液蒸发采用五效蒸发器系统。将蒸浓的黑液送入回收炉中燃烧。碱回收炉是完成碱回收化学反应的反应器，又是产生蒸气的动力锅炉，炉膛内温度达1000℃～1200℃，使黑液蒸发、干燥，成为黑灰落在炉底上，铺成垫层，着火燃烧成碳酸钠熔融物，从炉底出口处流入溶解槽。燃烧产生的烟气，在炉内上升，通过锅炉部分吸收热量，产生蒸气。最后烟气经蒸发器进一步利用余热，或再经静电除尘器等装置回收碱尘后排出。绿液中添加石灰乳液，使碳酸钠转化成为氢氧化钠，以制成蒸煮药液——白液。然后进入苛化，连续苛化是将绿液用澄清或过滤方式，连续除去其中悬浮的固体杂质，得到清绿液，再送入苛化器中，与经过消化的石灰乳液充分反应，得到含有氢氧化钠和碳酸钠颗粒的苛化乳液，连续分离白泥，取得清白液，供蒸煮使用。由于原料的不同，造纸行业的蒸煮黑液与棉浆泊黑液有很大的不同，棉浆泊黑液浓度低，蒸煮能耗高，同时固形物的燃烧性能比造纸黑液差，现有的碱回收炉的结构无法实现棉浆泊黑液的碱回收，面临很大的工程难度。有个别企业开始建设棉浆泊黑液碱回收装置，但至今无成功先例，行业大多持怀疑态度。 [0004] CN101585617A公开了一种化纤棉浆黑液处理工艺，是将化纤棉浆黑液与木浆黑液通过黑液过滤机过滤后按比例混合，蒸发后在碱回收炉中进行有氧燃烧，燃烧产生的熔融物溶解、苛化生成氢氧化钠。此工艺虽然省去了重油助燃，但其基本路线仍然无法脱离木浆黑液的传统工艺，面临很大的工程难度，目前国内木浆黑液的输出远少于棉浆黑液，所以此工艺在应用上很受限。 [0005] 鉴于上述原因，大多数企业对棉浆泊黑液碱回收期待更具优势的技术。 发明内容[0007] 所述隔绝煅烧单元包括加热装置；所述分离单元设有入水口、溶液出口和固料出口。 [0008] 所述隔绝煅烧单元的固料出口连接所述分离单元的入口；所述分离单元的固料出口连接所述活化单元的入口；所述分离单元的溶液出口连接所述苛化单元的入口。 [0009] 采用本发明所述系统进行棉浆泊黒液资源化时，经浓缩后的棉浆泊黒液在干燥单元中干燥后形成固化物，开启加热装置，产生高温烟气，预热隔绝煅烧炉，固化物进入隔绝煅烧单元中被加热装置间接加热热解，热解后的固体从隔绝煅烧单元的固料出口输出进入分离单元，从分离单元的入水口加水，进行洗涤、固液分离，含有碳酸钠的溶液从分离单元的溶液出口输出并进入苛化单元进行苛化化，获得合格的烧碱溶液和脱硫碳酸钙；分离得到的固相从分离单元的固料出口输出并进入活化单元分离单元进行活性炭改性，获得活性炭产品。 [0010] 本发明中加热装置对隔绝煅烧单元中的浓缩棉浆泊黒液是间接加热的，隔绝空气煅烧使得浓缩棉浆泊黒液发生分解而不是氧化，现有技术中的碱回收炉中发生的是氧化，燃料、空气与和浓缩棉浆泊黒液直接接触，生成硫氧化物、氮氧化物等腐蚀性气体，高温下对设备的腐蚀严重，本发明利用间接加热，精确控温，低温热解等过程，有效防止棉浆泊固形物的氧化过程，熔融碱液腐蚀等问题。 [0011] 本发明所述干燥单元优选包括喷雾干燥器。 [0012] 优选地，所述干燥单元与所述隔绝煅烧单元之间设有除尘单元。 [0013] 优选地，所述除尘单元包括旋风分离器和布袋除尘器；其中，所述喷雾干燥器的固料出口连接所述旋风分离器的固料入口，所述旋风分离器的粉体出口连接所述布袋除尘器的粉体入口，所述布袋除尘器的粉体出口连接所述隔绝煅烧单元的固料入口。干燥后的气体经过后续的旋风分离器与布袋除尘器将气体中的粉末回收后达标排放。 [0014] 实际工作中，可利用气力输送将喷雾干燥器、旋风分离器和布袋除尘器收集的黒液粉末送至中间仓，再将粉状物料汇入隔绝煅烧单元。 [0015] 本发明所述加热装置优选包括燃烧炉。 [0016] 优选地，所述隔绝燃烧单元的气体出口连接所述加热装置的燃料入口。热解的气体进入燃烧炉中进一步燃烧，作为煅烧热源。 [0017] 本发明所述加热装置的出口优选连接所述喷雾干燥器的气体入口。加热装置产生的烟气进入喷雾干燥器中，与从干燥器顶部喷入的棉浆泊黒液进行接触，大大降低能耗。 [0018] 本发明所述分离单元优选包括化浆槽和过滤机，所述化浆槽的出口连接所述过滤机的混合相入口。热解后的固体进入化浆槽，将固体中的碱液溶解在溶液中。 [0019] 优选地，所述过滤机包括带式真空过滤机。 [0020] 优选地，所述分离单元的入口为所述化浆槽的固料入口，所述分离单元的溶液出口为所述过滤机的一级滤液出口。 [0021] 优选地，所述分离单元的出水口连接所述分离单元的入水口。 [0022] 带式真空过滤机具有多级逆流洗涤功能，第一级滤液中碱液的浓度较高，更具回收价值，多级洗涤、过滤后的滤液则可以回流到化浆槽中，相当于节省了洗涤用水并且减少了碱的损失。 [0023] 本发明的目的之二在于提供一种棉浆泊黒液资源化方法，包括如下步骤： [0024] (1)将棉浆泊黒液进行浓缩，得到浓缩液，所述浓缩液经干燥得到固形物； [0025] (2)将步骤(1)所得固形物进行隔绝空气煅烧，得到碳化物和气体产物； [0026] (3)将步骤(2)所得碳化物进行洗涤、固液分离，分别收集固相和液相；所述固相经活化得到活性炭，同时，所述液相经苛化得到烧碱溶液和碳酸钙。作为苛化副产物的碳酸钙为脱硫碳酸钙，可用于电厂脱硫。 [0027] 本发明所述方法优选通过如目的之一所述的系统实现。 [0028] 优选地，步骤(1)所述浓缩液的固含量大于等于45wt％，例如45wt％、46wt％、47wt％、50wt％、55wt％、60wt％、70wt％或80wt％等，优选为45～60wt％。 [0029] 优选地，步骤(1)所述干燥在所述干燥单元中进行。 [0030] 优选地，步骤(1)所述干燥的温度为120～160℃，例如120℃、125℃、130℃、140℃、150℃或160℃等，优选130～150℃。 [0031] 优选地，步骤(1)中，所述干燥的方式包括喷雾干燥。 [0032] 优选地，所述喷雾干燥的烟气温度为250～330℃，例如250℃、265℃、270℃、280℃、290℃、300℃、310℃、320℃或330℃等，优选300～330℃。 [0033] 优选地，步骤(1)所述干燥之后，还包括：除尘。 [0034] 优选地，所述除尘包括旋风除尘和/或布袋除尘，优选先进行旋风除尘再进行旋风除尘。 [0035] 优选地，步骤(1)所述固形物中的含水量小于等于5wt％，例如5wt％、4.5wt％、4wt％、3.5wt％、3wt％、2.5wt％、2wt％、1wt％、0.5wt％或0.1wt％等，优选为2～5wt％。 [0036] 本发明步骤(2)所述隔绝空气煅烧优选在所述隔绝煅烧单元中进行。 [0037] 优选地，步骤(2)所述隔绝空气煅烧的温度为500～650℃，例如500℃、520℃、550℃、580℃、600℃、620℃、630℃、640℃或650℃等，优选600～650℃。 [0038] 优选地，步骤(2)所述隔绝空气煅烧的时间为40～90min，优选50～80min。 [0039] 优选地，步骤(2)所述气体产物经燃烧给所述隔绝空气煅烧提供热量。 [0040] 优选地，所述燃烧再所述加热装置中进行。 [0041] 优选地，步骤(2)所述气体产物经燃烧产生温度为800～1000℃的高温烟气。例如所述高温烟气的温度为800℃、810℃、820℃、830℃、850℃、880℃、900℃、920℃、950℃、980℃或1000℃等。 [0042] 优选地，所述高温烟气用于步骤(1)所述喷雾干燥。 [0043] 本发明步骤(3)所述洗涤优选包括逆流洗涤。 [0044] 优选地，所述逆流洗涤的循环次数大于等于4次，例如4次、5次或8次等，优选4～6次。 [0045] 优选地，步骤(3)所述洗涤用的洗涤剂包括脱盐水。 [0046] 优选地，步骤(3)所述所述脱盐水的质量为所述碳化物质量的4～6倍，优选4.5～5.5倍。 [0047] 优选地，步骤(3)所述洗涤在所述分离单元中进行。 [0048] 优选地，步骤(3)所述固液分离在所述分离单元中进行。 [0049] 优选地，步骤(3)所述固液分离的方式包括过滤。 [0050] 优选地，步骤(3)所述活化具体包括：将所述固相与水蒸气在700～900℃下接触1～2h，得到活性炭。 [0051] 优选地，步骤(3)所述液相中碳酸钠的浓度为110～160g/L，例如110g/L、120g/L、130g/L、140g/L、150g/L或160g/L等，优选120～150g/L。 [0052] 优选地，步骤(3)所述烧碱溶液的浓度为110～130g/L，例如110g/L、112g/L、115g/L、118g/L、120g/L、125g/L或130g/L等，优选110～120g/L。 [0053] 作为本发明优选的技术方案，棉浆泊黒液资源化方法包括如下步骤： [0054] (1)将棉浆泊黒液进行浓缩，得到固含量大于等于45wt％的浓缩液，所述浓缩液在所述干燥单元中经120～160℃干燥得到含水量小于等于5wt％的固形物； [0055] (2)将步骤(1)所得固形物在所述隔绝煅烧单元中于500～650℃下进行隔绝空气煅烧40～90min，得到碳化物和气体产物；所述气体产物在所述加热装置中燃烧给所述隔绝空气煅烧提供热量； [0056] (3)将步骤(2)所得碳化物在所述分离单元中进行洗涤、固液分离，分别收集固相和含碳酸钠110～160g/L的液相；所述固相在所述活化单元中进行活化得到活性炭，同时，所述液相在所述苛化单元中进行苛化得到烧碱溶液和碳酸钙。 [0057] 与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果： [0058] (1)本发明利用隔绝空气煅烧代替传统木浆泊黒液处理工艺中的有氧燃烧，提供了一种适合棉浆泊黒液的资源化系统和方法，产物包括活性炭，达到国家标准(二等品)，活性炭的产率为60％以上，具有突出的经济效益，而现有技术中棉浆泊黒液有氧燃烧生成二氧化碳，碳元素没有被充分利用； [0059] (2)本发明中煅烧的气体产物中含有可燃性气体，可以作为燃料，燃料燃烧后生成的高温气体可以进行喷雾干燥，洗涤的水可以循环利用较少碱液的损失；最终实现了系统内部热量和物质的双循环，以废治废，节能减排。附图说明 [0060] 图1是本发明示例性的工艺路线图； [0061] 图2是本发明实施例1系统示意图； [0062] 图中标记示意为：1-喷雾干燥器；2-旋风分离器；3-布袋除尘器；4-引风机；5-带布袋除尘中间仓；6-气力输送风机；7-燃烧炉；8-隔绝煅烧炉；9-化浆槽；10-化桨泵；11-带式真空过滤机；12-苛化系统；13-活性炭活化系统 具体实施方式[0064] 实施例1 [0065] 一种棉浆泊黒液资源化系统，如图2所示，包括喷雾干燥器1；旋风分离器2；布袋除尘器3；引风机4；带布袋除尘中间仓5；气力输送风机6；燃烧炉7；隔绝煅烧炉8；化浆槽9；化桨泵10；带式真空过滤机11；苛化系统12；活性炭活化系统13。并且，所述的喷雾干燥器1连接到旋风分离器2的入口，旋风分离器2的出口连接到布袋除尘器3的入口，布袋除尘器3的出口连接到引风机4的入口，引风机4气体出口放空，喷雾干燥器1、旋风分离器2和布袋除尘器3下部的粉尘出口连接到带布袋除尘器中间仓5的入口，带布袋除尘器中间仓5的气体出口连接到气力输送风机6的入口，气力输送风机6的出口放空，带布袋除尘器中间仓5的下部粉体出口连接到隔绝煅烧炉8粉体入口，清洁燃料连接到燃烧炉7入口，燃料炉7出口连接到隔绝煅烧炉8高温烟气入口，隔绝煅烧炉8气体出口连接到燃烧炉7入口，隔绝煅烧炉8粉体出口连接到化浆槽9入口，化浆槽9出口连接到化浆泵10入口，化浆泵10出口连接到带式真空过滤机浆料11入口，外界脱盐水连接到带式真空过滤机11洗水入口，带式真空过滤机11最末端洗水出口连接到化浆槽9的入口，带式真空过滤机11过滤碱液出口连接到苛化系统12入口，苛化系统12出口获得合格烧碱溶液与脱硫碳酸钙，带式真空过滤机11滤饼出口连接到活性炭活化系统13入口，活性炭活化系统13出口获得合格活性炭产品。 [0066] 利用如图2所示系统进行棉浆泊黒液资源化的方法： [0067] 1)将1000kg固含量45wt％的棉浆泊黒液利用压力式喷头喷入喷雾干燥器1中，其中喷雾干燥器1的热源温度为300℃，喷雾后尾气温度为130～135℃，在喷雾干燥器1底部取样分析黒液粉末含水量为4.8wt％。待隔绝煅烧炉8炉体温度达到500℃，将进入中间仓5的固体粉末定量加入隔绝煅烧炉8中进行隔绝煅烧，其中加入物料重量为420kg，物料从加入至出料历时60min，煅烧后固体粉末重量为268.8kg，灼烧减量为36wt％。 [0068] 2)将获得的268.8kg固体物料加入正在运行的化浆槽9中，其中带式真空过滤机11所用脱盐水的量为1344kg，即按质量比为固体量的5倍，运行化浆槽9搅拌与带式真空过滤机11进行过滤洗涤，获得的滤饼与滤液组成如表1所示，其中c0表示化浆滤液Na含量，c1表示一级洗液Na含量，c2表示二级洗液Na含量，c3表示三级洗液Na含量，c4表示四级洗液Na含量，w水表示滤饼含水量，wNa表示干渣中的Na含量，X％表示Na浸出率。 [0069] 表1 [0070]c0(g/L) c1(g/L) c2(g/L) c3(g/L) c4(g/L) w水(wt％) wNa(wt％) X％ 53.54 0.4652 0.2847 0.1447 0.0847 65 0.7 97.00％ [0071] 滤液中Na2CO3浓度为123.4g/L。 [0072] 3)上述滤液与滤饼分别进入苛化系统12与活性炭活化系统13，其中滤液进入苛化系统12，经过苛化后获得烧碱溶液，其中NaOH浓度为110g/L。滤饼进入活性炭活化系统13，利用水蒸气进行活化，活化温度800℃，获得33.3kg活性炭，收率(活化后活性炭质量与活化前物质质量的比率，下同)为62wt％，满足国家标准GB/T 13803.2-1999中二等品的标准，如表2所示。 [0073] 表2 [0074] [0075] [0076] 实施例2 [0077] 1)以将1000kg固含量45wt％的棉浆泊黒液利用压力式喷头喷入喷雾干燥器中，其中喷雾干燥器的热源温度250℃，喷雾后尾气温度120～125℃，在喷雾干燥器底部取样分析黒液粉末含水量为4.7wt％。待隔绝煅烧炉炉体温度达到600℃，将进入中间仓的固体粉末定量加入煅烧炉中进行隔绝煅烧，其中加入物料重量为410kg，物料从加入至出料历时60min，固体粉末重量为258kg，灼烧减量为37wt％。 [0078] 2)将获得的258kg固体物料加入正在运行的化浆槽中，其中带式真空过滤机所用脱盐水的量为1161kg，即按质量比为固体量的4.5倍，运行化浆槽搅拌与带式真空过滤机进行过滤洗涤，获得的滤饼与滤液组成如表3所示。 [0079] 表3 [0080]c0(g/L) c1(g/L) c2(g/L) c3(g/L) c4(g/L) w水(wt％) wNa(wt％) X％ 59.10 0.5652 0.3247 0.1847 0.0947 65 0.9 95.00％ [0081] 滤液中Na2CO3浓度为136.2g/L。 [0082] 3)上述滤液与滤饼分别进入苛化系统与活性炭活化系统，其中滤液进入苛化系统，经过苛化后获得烧碱溶液，其中NaOH浓度为115g/L；获得的滤饼进入活性炭活化系统，利用水蒸气进行活化，活化温度800℃，获得36.9kg的活性炭，收率65wt％。满足国家标准GB/T 13803.2-1999中二等品产品的标准，如表4所示。 [0083] 表4 [0084] [0085] [0086] 实施例3 [0087] 1)将1000kg固含量45wt％的棉浆泊黒液利用压力式喷头喷入喷雾干燥器中，其中喷雾干燥器的热源温度300℃，喷雾后尾气温度135～140℃，在喷雾干燥器底部取样分析黒液粉末含水量为3.5wt％。待隔绝煅烧炉炉体温度达到650℃，将进入中间仓的固体粉末定量加入煅烧炉中进行隔绝煅烧，其中加入物料重量为400kg，物料从加入至出料历时60min，固体粉末重量为240kg，灼烧减量为40wt％。 [0088] 2)将获得的240kg固体物料加入正在运行的化浆槽中，其中带式真空过滤机所用脱盐水的量为1200kg，即按质量比为固体量的5倍，运行化浆槽搅拌与带式真空过滤机进行过滤洗涤，获得的滤饼与滤液组成如表5所示。 [0089] 表5 [0090]c0(g/L) c1(g/L) c2(g/L) c3(g/L) c4(g/L) w水(wt％) wNa(wt％) X％ 54.01 0.4652 0.2214 0.1321 0.0765 65 0.6 96.00％ [0091] 滤液中Na2CO3浓度为124.5g/L。 [0092] 3)上述滤液与滤饼分别进入苛化系统与活性炭活化系统，其中滤液进入苛化系统，经过苛化后获得烧碱溶液，NaOH浓度为110g/L；获得的滤饼进入活性炭活化系统，利用水蒸气进行活化，活化温度700℃，获得28.8kg的活性炭，收率60wt％，满足国家标准GB/T 13803.2-1999中二等品产品的标准，如表6所示。 [0093] 表6 [0094] [0095] [0096] 本发明将现有造纸黒液高温焚烧回收碱液的技术中的富氧燃烧替换为间接加热的缺氧热解，增加了资源化产物的种类和产率，资源化程度大大提高。本发明将黒液固形物的喷雾干燥、热解和带式过滤洗涤技术进行耦合，构成了一种棉浆泊黒液资源化系统。事实上，本领域普通的技术人员按照公知常识倾向于采用现有技术的碱回收工艺中回收氢氧化钠用于造纸工艺，至多在如何提高碱回收率方面采取改进方案，例如CN101585617A公开了一种将化纤棉浆黑液与木浆黑液通过黑液过滤机过滤后按比例混合、蒸发后在碱回收炉中进行有氧燃烧的方法，但其基本路线仍然无法脱离木浆黑液的传统工艺，面临很大的工程难度，目前国内仅有很少的地方有木浆造纸，尤其是在海南等速生林多的地方，新疆是棉浆泊的主产地，木质资源匮乏，所以此工艺在应用上很受限，不具有可实施性。 |
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