提高碱法草浆黑液浓度的工艺及设备 【技术领域】
本发明涉及碱法草浆造纸工艺，尤其涉及一种通过对碱法草浆黑液进行热处理、高浓蒸发及压力热储存提高草浆黑液浓度的工艺及设备。
背景技术
在造纸行业，纸浆一般采用木浆或草浆，目前，国内多采用草浆，即以草类如麦草为原料通过碱法制浆工艺获取；其主要工艺流程是：首先将麦草在烧碱和蒸汽作用下蒸煮，经理化反应，使麦草和烧碱中的木质素、聚糖类碳水化合物及碱木素等有机物溶解在蒸煮液中成为黑液，麦草中纤维则游离出来成为纸浆；经分离、漂白，纸浆用于造纸，对黑液则进行碱回收，黑液经浓缩后送入碱回收炉中焚烧，将黑液中的有机物烧掉，碱形成碳酸钠，进一步苛化生成烧碱，继续循环用于蒸煮工序。然而，草类是一年生植物，在碱法制浆时产生的黑液与用木材制浆时所产生的黑液在理化性能上有很大的区别，草浆黑液含有大量的糖分，其中有一部分聚合糖，这种由五碳糖组成的聚合糖分子量较大。在黑液中，当浓缩到一定浓度后其粘度明显增加，一般说木浆黑液浓度可以浓缩到65-70％且仍具有流动性，而草浆黑液只能浓缩到48-50％，其流动性就已经非常差。粘度大造成在蒸发过程中浓度提不上去，沸点由于粘度高而提高，当浓度提高粘度太大时，不再蒸发水分；因此在碱回收黑液燃烧炉的入炉黑液中，草浆黑液含水量要比木浆多一倍，每吨固形物比木浆黑液多带进来0.5吨的水；水在燃烧炉中蒸发要吸收大量的热能，因此降低了锅炉效率，为了提高热效率只有提高入炉黑液浓度。但若强行提高浓度，由于黑液粘度大，流动性差，泵输送困难并且在黑液喷射过程中不能雾化分散，在燃烧炉中不能悬浮干燥，落到炉底时水分过大在垫层上不易着火，堵塞进风口，以至无法正常生产。只有通过牺牲锅炉效率，将入炉空气从原来的150℃提高到250℃才能使浓度低的草浆黑液在碱回收炉中快速干燥进而进行正常燃烧。综上所述，如何提高草浆黑液固形物含量，提高其浓度而又不增加粘度，从而解决现存的草浆黑液不易燃烧、热效率低等诸多难题，并使草浆黑液处理仍可沿用传统碱回收设备，成为业界关注课题。
【发明内容】
本发明的目的有两个：(1)针对上述问题，提供一种提高草浆黑液浓度的工艺，使草浆黑液在浓缩到60％以上时不提高粘度，仍具有良好的流动性，从而达到节能降耗，提高热效率的效果；(2)提供一种前述提高草浆黑液浓度的工艺采用的设备，并使该设备只须在原有传统设备基础上增设进去即可正常发挥效能，降低了节能改造增效的投资成本。
本发明解决其技术问题所依据的原理及分析如下：
经实验证明：草浆黑液的浓度提不高主要是因其成分中含有大链的聚合糖及阿拉伯糖等高分子量的糖造成的，浓度增大时，大链的聚合糖粘度增大。以石家庄光明纸业有限公司的碱法麦草浆为例，当黑液的浓度为50％固形物含量、温度为100℃时，其粘度为98.8mps，而同一黑液当固形物含量达到60％时，同是100℃，其粘度达到500mps以上。因此，如能将高分子量聚糖分解为低分子量的单糖，其黑液的粘度自然会降低。
此外，较高浓度的草浆黑液其粘度在不同温度的条件下有较明显的变化，随温度升高粘度降低；且草浆黑液中的有机物在一定温度和压力下其结构发生变化可由大链物质变为短链物质使粘度降低。基于草浆黑液上述特性，为解决现存问题，本发明提供的工艺即根据黑液上述特性，首先对黑液进行热处理，使一定浓度的黑液在温度升高时粘度下降；当温度继续升高并保持一定的压力和一定时间的条件下，其成份中的一些大链聚合糖分解，从而使对粘度影响较大的高分子聚合糖减少，黑液的流动性变好，粘度降低，进而提高其浓度而又不增加粘度，即热处理后的黑液可以将浓度从50％提高到60％以上。接着，根据饱和蒸汽的特性曲线以及黑液在浓度增加其沸点也相应提高的特点，采用在增浓后不减压并在一定压力下进行贮存，这时黑液的贮存温度比在大气压的情况下温度要提高10～20℃，这就有可能更进一步的提高其浓度到65％以上，从而完全达到了木浆黑液的浓度水平。
采用本发明提供的工艺，在原有草浆碱回收系统设备的基础上，设备基本不作大的变动，只是在现有草浆黑液浓缩工序与草浆黑液燃烧工序之间增设本发明提出的热处理、高浓蒸发及压力热贮存设备，可降低用户节能改造增效的投资成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高碱法草浆黑液浓度的工艺，其特征在于设置于传统碱法草浆碱回收工艺的草浆黑液浓缩工序与草浆黑液燃烧工序之间，具体步骤如下：
(1).热处理：将由草浆黑液浓缩工序提供地浓草浆黑液首先进行预加压、预加热至压力0.5-0.8Mpa、温度140-160℃，然后进一步加压加热至：最终压力为1.0～1.2Mpa，最终温度为175℃～180℃，并装入密封热处理装置中继续保温、保压20～40分钟，使浓草浆黑液中的高分子量聚合糖分解为低分子量单糖，粘度降至50-70mps；接着，对经热处理后的高温高压浓草浆黑液进行余热回收处理，使其温度降至105℃、压力降至大气压，并储存备用；
(2).高浓蒸发：将由步骤(1)获得的浓草浆黑液进行两效逆流蒸发，至浓度达55％～65％的终浓，其中I效蒸发采用高温背压蒸发，使蒸发浓缩后的终浓草浆黑液的温度达120℃～130℃，粘度小于100mps；
(3).压力热贮存：将由步骤(2)获得的终浓草浆黑液贮存在一压力为0.2-0.3Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度保持在120-130℃，粘度小于100mps，以供草浆黑液燃烧工序使用。
在步骤(1)中将热处理后的高温高压浓草浆黑液回收的余热用于对所述浓缩工序提供的浓草浆黑液进行预加热。
上述提高碱法草浆黑液浓度的工艺采用的设备，其特征在于主要由预加压泵、预加热器、热混合器、终压加压泵、热处理器、闪蒸器、浓黑液贮存槽、B蒸发增浓器、E循环/输送泵、A蒸发增浓器、F循环/输送泵及终浓黑液压力贮存罐构成；所述预加热器进液口通过预加压泵连接草浆黑液浓缩设备中的草浆浓黑液槽，预加热器出液口依次通过终压加压泵、连通新蒸汽的热混合器连至热处理器进液口，热处理器出液口连至闪蒸器进液口，闪蒸器出液口连至浓黑液贮存槽进液口，浓黑液贮存槽出液口连至B蒸发增浓器的进液口；B蒸发增浓器的出液口连接A蒸发增浓器的进液口并分别通过E循环/输送泵、F循环/输送泵连至B蒸发增浓器的进液口和A蒸发增浓器的出液口，B蒸发增浓器的进汽口分别连接新蒸汽和A蒸发增浓器的二次蒸汽出口，A蒸发增浓器的出液口连至终浓黑液压力贮存罐的进液口，压力贮存罐的出液口连至草浆黑液燃烧炉喷枪、其进汽口连接新蒸汽。
所述闪蒸器出液口与浓黑液贮存槽之间设有C输送泵；所述浓黑液贮存槽出液口与B蒸发增浓器之间设有D输送泵；所述A蒸发增浓器的出液口与终浓黑液压力贮存罐之间设有G输送泵。
所述的A蒸发增浓器与G输送泵之间设有调节闪蒸器。
所述的预加热器为1个或串联连接的多个，所述的闪蒸器与预加热器对应设置为1个或串联连接的多个；闪蒸器的二次蒸汽出口对应连至预加热器的进汽口。
本发明的有益效果是：(1)通过采用本发明提供的工艺，对草浆黑液加温、加压，使黑液沸点升高而粘度下降，进而提高其浓度而又不增加粘度，将草浆黑液浓度提高至65％-70％，达到木浆黑液的水平，克服了在原工艺中存在的因草浆黑液含水量高，耗费大量的热能用于干燥黑液，致使锅炉的蒸发量下降，锅炉输出减少40-50％。采用本工艺后，可以使锅炉热效率提高，蒸发量达到木浆水平，碱回收工序中的蒸汽可以自给，不用再外购蒸汽，达到节能降耗的效果，同时也降低了回收碱的成本。由于草浆黑液中水分减少，使烟气的体积相应减少，降低引风机负荷，节省电能；尤其草浆黑液热处理后，入炉水分减少，相当于增加了热量，燃烧工况改善，炉温也可以相应提高，这就有可能在节能效果好的中压锅炉中使用来产生过热蒸汽，用于发电，而发完电的低压蒸汽再用于生产，做到热电联产，进一步节能降耗。(2)因草浆黑液的固形物含量提高，水分减少一半，粘度适当，因此雾化分散性好，易于燃烧，在燃烧炉可悬浮干燥不堵塞风口；此外，喷液液滴的直径增大，减少飞灰，减少挂壁和落挂进一步防止堵塞风口，使燃烧正常，并减少辅助燃油的用量；(3)烟气中水分减少，使飞灰更干燥，易于吹灰，降低了电除尘装置的腐蚀；(4)不变动原有工厂的设备和工艺，只需在原有草浆碱回收工艺的基础上增加本发明提供的热处理、高浓蒸发及压力热贮存设备，即可正常运行，降低了用户节能改造增效的投资成本。
【附图说明】
图1是本发明提供的提高草浆黑液浓度的工艺流程框图；
图2是提高草浆黑液浓度的工艺采用的设备的结构示意图。
图中：1-1预加压泵，1-2预加压泵，1-3终压加压泵，1-4C输送泵，1-5D输送泵，1-6E循环/输送泵，1-7F循环/输送泵，1-8G输送泵，1-9H输送泵；2-1预加热器，2-2预加热器，3热混合器，4热处理器，5-1闪蒸器，5-2闪蒸器，6浓黑液贮存槽，7B蒸发增浓器，8A蒸发增浓器，9调节闪蒸器，10终浓黑液压力贮存罐，11新蒸汽，12浓黑液槽，13燃烧炉喷枪，14排空气体。
以下结合附图和实施例对本发明详细说明。
【具体实施方式】
图1是本发明提供的提高草浆黑液浓度的工艺流程框图，其中虚线框内的工艺步骤是本发明的内容。如图所示，是一种提高碱法草浆黑液浓度的工艺，其特征在于设置于传统碱法草浆碱回收工艺的草浆黑液浓缩工序与草浆黑液燃烧工序之间，具体步骤如下：(1).热处理：将由草浆黑液浓缩工序提供的浓草浆黑液首先进行预加压、预加热至压力0.5-0.8Mpa、温度140-160℃，然后进一步加压加热至：最终压力为1.0～1.2Mpa，最终温度为175℃～180℃，并装入密封热处理装置中继续保温、保压20～40分钟，使浓草浆黑液中的高分子量聚合糖分解为低分子量单糖，粘度降至50-70mps；接着，对经热处理后的高温高压浓草浆黑液进行余热回收处理，使其温度降至105℃、压力降至大气压，并储存备用；
(2).高浓蒸发：将由步骤(1)获得的浓草浆黑液进行两效逆流蒸发，至浓度达55％～65％的终浓，其中I效蒸发采用高温背压蒸发，使蒸发浓缩后的终浓草浆黑液的温度达120℃～130℃，粘度小于100mps；
(3).压力热贮存：将由步骤(2)获得的终浓草浆黑液贮存在一压力为0.2-0.3Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度保持在120-130℃，粘度小于100mps，以供草浆黑液燃烧工序使用。
在步骤(1)中将热处理后的高温高压浓草浆黑液回收的余热用于对所述浓缩工序提供的浓草浆黑液进行预加热。
本发明还提供了上述提高草浆黑液浓度的工艺采用的设备，图2示出了设备的结构示意图。图中空心箭头表示蒸汽流向，实体箭头表示草浆黑液流向。如图2所示，该设备的特征在于主要由预加压泵1-1、1-2，预加热器2-1、2-2，热混合器3、终压加压泵1-3、热处理器4、闪蒸器5-1、5-2、浓黑液贮存槽6、B蒸发增浓器7、E循环/输送泵1-6、A蒸发增浓器8、F循环/输送泵1-7及终浓黑液压力贮存罐10构成；在上述闪蒸器5-2出液口与浓黑液贮存槽6之间设有C输送泵1-4；在上述浓黑液贮存槽6出液口与B蒸发增浓器7之间设有D输送泵1-5；在上述A蒸发增浓器8的出液口与终浓黑液压力贮存罐10之间设有G输送泵1-8；本例中在A蒸发增浓器8与G输送泵1-8之间还设置了调节闪蒸器9。本发明中，上述预加热器可为1个或串联连接的多个，上述的闪蒸器与预加热器对应设置为1个或串联连接的多个；闪蒸器的二次蒸汽出口对应连至预加热器的进汽口。本实施例中，设置了串联连接的2个预加热器2-1、2-2，与预加热器2-1、2-2对应设置串联连接的2个闪蒸器5-1、5-2；2个闪蒸器5-2、5-1的二次蒸汽出口52、51分别对应连至预加热器2-1、2-2的进汽口21、22。
上述预加热器2-1进液口通过预加压泵1-1连接草浆黑液浓缩设备中的草浆浓黑液槽12，再经预加压泵1-2、预加热器2-2进行第2级预加压、加热，预加热器2-2的出液口依次通过终压加压泵1-3、连通新蒸汽11的热混合器3连至热处理器4的进液口，热处理器4的出液口连至闪蒸器5-1的进液口，闪蒸器5-1的出液口连至闪蒸器5-2的进液口，闪蒸器5-2的出液口通过C输送泵1-4连至浓黑液贮存槽6进液口，浓黑液贮存槽6的出液口通过D输送泵1-5连至B蒸发增浓器7的进液口71；B蒸发增浓器7的出液口72连接A蒸发增浓器8的进液口81并分别通过E循环/输送泵1-6、F循环/输送泵1-7连至B蒸发增浓器7的进液口71和A蒸发增浓器的出液口82，B蒸发增浓器的进汽口74分别连接新蒸汽11和A蒸发增浓器的二次蒸汽出口83，B蒸发增浓器的二次蒸汽出口73连至本发明前级草浆黑液浓缩工序。A蒸发增浓器的出液口82连至调节闪蒸器9的进液口，调节闪蒸器9用于在草浆黑液传输过程中的平衡调节，调节闪蒸器9的出液口通过G输送泵1-8连至终浓黑液压力贮存罐10的进液口，压力贮存罐10的出液口经H输送泵1-9连至草浆黑液燃烧炉喷枪13、其进汽口连接新蒸汽11。
上述预加热器、热混合器、热处理器、闪蒸器、浓黑液贮存槽、蒸发增浓器、压力贮存罐及所有泵均为现有设备，只需按本发明技术方案组合到一起即可。
下面，结合本发明提供的提高草浆黑液浓度的工艺及采用该工艺的设备具体阐述该工艺的操作过程。参见图2，具体步骤如下：
(1).热处理：将由草浆黑液浓缩工序提供的浓草浆黑液首先通过预加压泵1-1、预加热器2-1，预加压泵1-2、预加热器2-2，进行预加压、预加热，使浓草浆黑液的压力达0.5-0.8Mpa、温度达140～160℃，然后进一步经终压加压泵1-3、热混合器3加压、加热至：最终压力为1.0～1.2Mpa，最终温度为175℃～180℃，并压入热处理器4中继续保温、保压20～40分钟，使浓草浆黑液中的高分子量聚合糖分解为低分子量单糖，粘度降至50～70mps；接着，对经热处理后的高温高压浓草浆黑液进行余热回收处理，在本实施例中，热处理器4输出的浓草浆黑液经闪蒸器5-1、5-2进行闪蒸，使其温度降至105℃、压力降至大气压，并储存在浓黑液贮存槽6中备用；为提高设备热效率，充分利用余热，上述高温高压浓草浆黑液回收的余热用于对浓缩工序提供的浓草浆黑液进行预加热，如图2所示闪蒸器5-2、5-1的二次蒸汽出口52、51分别连至预加热器2-1、2-1的进汽口21、22。
(2).高浓蒸发：将由步骤(1)获得的浓草浆黑液从草浆黑液贮存槽6输出，通过B蒸发增浓器7及A蒸发增浓器8进行两效逆流蒸发，浓草浆黑液由II效B蒸发增浓器7进入I效A蒸发增浓器8排出，新蒸汽由I效A蒸发增浓器8进入，A蒸发增浓器8的二次蒸汽供II效B蒸发增浓器7使用，II效B蒸发增浓器7产生的二次蒸汽经改善品质后供本发明前级草浆黑液浓缩工序使用，从而使蒸发热效率达到六效蒸发水平，比传统的五效蒸发工艺更节能。本增浓蒸发设备的I效蒸发采用高温背压蒸发，蒸发后液体随背压温度提高而提高，从而保证蒸发浓缩后浓黑液具有较高温度，因此流动性得以保证。经蒸发浓缩后的终浓草浆黑液的浓度达55％～65％的终浓，温度达120℃～130℃，粘度小于100mps；
(3).压力热贮存：将由步骤(2)获得的终浓草浆黑液从A蒸发增浓器8经调节闪蒸器9及G输送泵1-8存入压力为0.2-0.3Mpa的压力贮存罐10中，使草浆黑液温度保持在120-130℃，粘度小于100mps从而保证其流动性，以供草浆黑液燃烧工序使用。
本发明的效果
表1示出了采用本发明提高碱法草浆黑液浓度的工艺及设备处理浓草浆黑液的实施例。
表2示出了表1中各实施例获得的终浓草浆黑液中有机物化学成分的变化。
由表1、表2可以看出，经本发明工艺处理后，浓草浆黑液中影响粘度的主要成分聚合糖及阿拉伯糖明显降低，且在浓度提高到55-65％的情况下，粘度显著下降，从原有的500mps以上降至100mps以下。
表1提高碱法草浆黑液浓度的工艺实施例
备料 取浓草浆黑液量1000Kg进行如下工艺处理。 实 施 例 1 1热处理：预加压加温至压力0.5Mpa、温度140℃；最终压力为1.0Mpa， 最终温度为175℃，保温、保压20分钟，经余热回收处理，使其温度降至105 ℃、压力降至大气压、粘度降至70mps； 2高浓蒸发：经两效逆流蒸发及高温背压蒸发，浓度达55％的终浓；浓草 浆黑液的温度达120℃，粘度95mps； 3压力热贮存：贮存在压力为0.2Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度 保持在120℃；粘度97mps。 实 施 例 2 1热处理：预加压加温至压力0.6Mpa、温度150℃；最终压力为1.1Mpa， 最终温度为176℃，保温、保压25分钟，经余热回收处理，使其温度降至105 ℃、压力降至大气压、粘度降至65mps； 2高浓蒸发：经两效逆流蒸发及高温背压蒸发，浓度达60％的终浓；浓草 浆黑液的温度达125℃，粘度93mps； 3压力热贮存：贮存在压力为0.25Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度 保持在123℃；粘度94mps。
续表1
实 施 例 3 1热处理：预加压加温至压力0.7Mpa、温度155℃；最终压力为1.13 Mpa，最终温度为177℃，保温、保压30分钟，经余热回收处理，使其温度降至 105℃、压力降至大气压，粘度降至58mps； 2高浓蒸发：经两效逆流蒸发及高温背压蒸发，浓度达62％的终浓；浓草 浆黑液的温度达127℃，粘度92mps； 3压力热贮存：贮存在压力为0.3Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度 保持在127℃，粘度91mps。 实 施 例 4 1热处理：预加压加温至压力0.8Mpa、温度160℃；最终压力为1.2Mpa， 最终温度为179℃，保温、保压40分钟，经余热回收处理，使其温度降至105 ℃、压力降至大气压，粘度降至50mps； 2高浓蒸发：经两效逆流蒸发及高温背压蒸发，浓度达64％的终浓；浓草 浆黑液的温度达130℃，粘度90mps； 3压力热贮存：贮存在压力为0.2Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度 保持在129℃，粘度90mps。 实 施 例 5 1热处理：预加压加温至压力0.75Mpa、温度145℃；最终压力为1.05 Mpa，最终温度为178℃，保温、保压35分钟，经余热回收处理，使其温度降 至105℃、压力降至大气压，粘度降至60mps 2高浓蒸发：经两效逆流蒸发及高温背压蒸发，浓度达59％的终浓；浓草 浆黑液的温度达125℃，粘度93mps； 3压力热贮存：贮存在压力为0.2Mpa的压力贮存器中，使草浆黑液温度 保持在124℃，粘度92mps。
表2浓草浆黑液中有机物化学成分的变化