黑液超浓技术的发展

1、国际造纸WORLDPULPANDPAPER1999年第18卷第4期Vol.18No.41999 黑液超浓技术发展及应用情况DevelopmentandApplicationofBlackLiquidSolidsSuperConcentrationTechnology陈淑桃(ChenShutao)China National Beijing Contracting Engineering Institute for Light Industry, Beijing 100026摘要本文介绍了80年代末至90年代初期工业应用的黑液固形物浓度超过80的六种超级增浓器技术，阐述并比较了它们的性能及应用效

2、果。关键词降膜蒸发器增浓器闪蒸槽循环泵结垢和清洗问题粘度加热面低臭碱回收炉1前言黑液超浓技术是指黑液超级增浓和超浓燃烧，包括用蒸汽间壁加热，使流动的黑液蒸发增浓至含固形物7580(或更高)，直接进低臭型碱炉机组(指没有炉后烟气，黑液直接接触蒸发器的碱回收炉、静电除尘器机组)实现超浓燃绕，使硫酸盐法(KP)浆厂获得前所未有的经济效益和环保效益，为浆厂现代化(或技改)发挥生产潜力，降低成本，奠定新的基础。20世纪70年代初开发，80年代已广泛应用的降膜蒸发增浓技术(为了区别，本文称之为普通蒸发增浓技术)不仅提高了蒸发站蒸汽经济系数而且使制浆蒸煮和黑液蒸发的污凝结水和臭气得到了治理，生成的低臭味、低

3、BOD的凝结水可以循环使用；最主要还是使进碱回收炉燃烧的黑液固形物含量达到65以上，取消用炉后烟气直接接触蒸发黑液。因为在黑液与烟气直接接触的蒸发过程中，黑液吸收烟气中的SO2和CO2后，pH值降低，生成H2S等臭气。据统计，仅此一项，约占KP浆厂臭气50以上。同时碱炉黑液基本上实现了低臭燃烧，降低了烟气中SO2、TRS(总还原硫)及粉尘的排放量，减少了碱炉积灰清洗次数，黑液燃烧稳定性较前有所增强，提高了碱炉利用率，增加了产汽量，为KP木浆厂实现碱、汽、电基本自给奠定了基础。我国福建省青州纸厂扩建工程黑液蒸发站和碱回收炉就是其中一例。10多年生产实践普遍发现，低臭型碱炉在65黑液固形物下(燃烧

4、)运行的情况，虽然比传统碱炉有很大改进，但还不是很理想，例如：碱炉运行还不很稳定，烟气中SO2及TRS排放量时高时低，有时还不能满足更严格的排放标准；碱回收炉因积灰停机清洗次数虽较以前大有减少，但仍频繁(一般每隔34个月洗一次)。一方面进炉黑液浓度越高，炉子越好操作，积灰越少，烟气中SO2等污染物排放量越少；然而现有普通蒸发增浓技术满足不了这一要求。另一方面制浆、漂白技术的发展增加了至回收系统的黑液量，这些黑液不仅热值较低，而且钙和其他非工艺元素含量较高，给蒸发器、碱炉设计及操作带来诸多问题，只有提高进炉燃烧的黑液浓度，碱炉干固物处理量才有可能增加和补偿黑液热值的降低。由于碱炉造价很高，为了充

5、分发挥碱炉生产能力，人们总是期望进炉的黑液浓度尽可能高些、再高些，以便解决浆厂时常出现的黑液蒸发站和碱回收炉的“瓶颈”问题。黑液超级增浓技术就是在这种情况下应运而生的，经过多年研究开发，已于1986年3月在芬兰首次投产面世。超浓黑液(7884)超级燃烧又获得了令人振奋的效益：碱炉固形物处理量增加，产汽量增加，烟气中SO2、TRS排放量大幅度降低，碱炉积灰少，停机清洗次数大大减少，碱回收炉利用率大幅度提高，吹灰汽耗显著降低。但超浓燃烧过程存在氮、氧化物的排放问题，这也许是下一个令人担心的问题。但10多年经验表明，只要碱炉操作正确，燃烧浓度8085或6570的黑液都可达到相同的氮、氧化物排放量，满

6、足排放标准。2六种超级增浓技术的开发及应用2.1超级增浓系统开发及应用1986年3月世界第一套超级增浓及超浓燃烧装置在芬兰Pori造纸公司的Aittaluoto浆厂投产。当时该厂年产KP本色木浆78万t，原有低臭型碱回收炉(BW型，已改成固定式喷枪)蒸汽参数：3200kPa，温度410，固形物日处理量350t，产汽量65t/h；黑液蒸发站是由六效蒸发器组成生产，浓度为6063的浓黑液。该超级增浓系统布置在多效蒸发器和碱回收炉之间，更靠近碱回收炉。黑液蒸发、超级增浓、碱回收炉、苛化及石灰窑共用一个控制室。带蒸汽发生器的超级增浓系统与原有蒸发站组合使用。自多效蒸发来的浓黑液5860，在浓黑液槽内贮

7、存，并由此泵至混合槽与芒硝、碱灰混合后，再泵送至超级增浓器，增浓到接近最终浓度；黑液最后蒸发是在蓄热贮存槽内闪蒸(增浓)至(进碱回收炉)燃烧的浓度后，泵经新管道至改造后的黑液喷枪进炉燃烧。超级增浓器用压力120kPa(中压)、温度250的新蒸汽作加热介质，其凝结水送蒸汽发生器，产生的40kPa(低压)蒸汽与浆厂低压蒸汽联网。超级增浓器的二次蒸汽送至蒸汽发生器作加热蒸汽。黑液蓄热贮存槽来的二次蒸汽和蒸汽发生器的二次蒸汽都供多效蒸发用。主要设备：超级增浓器是专门设计的管式降膜蒸发器(垂直管束加热元件，51管子胀接到上、下管板上)，有特殊的黑液分配系统，使黑液均匀地分配到每根管。用标准离心泵循环，使

8、黑液降膜在管内下行期间，二次蒸汽与黑液分离；下管板以下的二次蒸汽，通过中央管抽至二次蒸汽室。主要附属设备有两个：a.超浓黑液蓄热贮存槽。按要求的贮存时间设计，过热的黑液在贮槽内闪蒸产生二次蒸汽；b.蒸汽发生器。它是一种管式降膜蒸发器。管道情况：超级增浓器周围的所有管道都是不锈钢并保温。超级增浓器和碱回收炉之间所使用的黑液管道，都有电热件伴热。运行情况：据该厂投产两年后的有关报导，原先担心：泵送超浓黑液可能出现超级增浓器及管道堵塞，以及在超级增浓器加热面结垢等，但现在看来这些均不成问题，也不必机械清洗；只有当加热面温度差超过设定值时，超级增浓器才需进行洗涤。稀白液、凝结水或工艺用水都可用作洗涤水

9、。洗涤间隔与超浓黑液干固物含量有直接关系，当干固物含量在7782时，超级增浓器一周洗两次，每次洗涤总时间24h。在洗涤期间，超浓黑液由蓄热贮槽泵至碱回收炉。操作工人认为，黑液超级增浓和超浓燃烧都很容易操作。超级增浓和超浓燃烧可以实现下列结果：进超级增浓器的黑液浓度5860；出超级增浓系统的黑液浓度7684；超级增浓系统蒸发水量1.5kg/s；黑液在超级增浓器中温度高达180；供碱炉的超浓黑液温度130145；进碱炉黑液喷枪前压力90180kPa再沸器(蒸汽发生器)新蒸汽压力300kPa；在固形物含量80、温度131时，黑液粘度大致是350cP；在固形物含量80时，黑液沸点升高约为2528；超级

10、增浓器运行率如图1所示；在1986年8月至1987年8月期间进炉黑液干固物含量变化如图2所示。该厂对低臭型碱回收炉在超浓(80)与传统(62)黑液燃烧性能比较如下：蒸汽产量增加810。能量回收增加912。烟气中SO2和H2S排放量大幅下降接近“零”。绿液中Na2SO4还原率自96再增12。碱炉吹灰洗耗减少2/3。碱炉很少停炉清洗，利用率高达95以上。图1超级增浓运行率图1超级增浓黑液的干固物碱炉及电除尘器的碱灰中Na2CO3含量从5增至1520。黑液超浓燃烧时，由于烟气碱灰中Na2CO3含量高而且稳定，没有亚硫酸生成，碱炉后部腐蚀现象减少。据报导，该厂碱炉烟囱在19811985年腐蚀速度每年为

11、0.12mm；超浓黑液燃烧投产后，1988年12月测量发现，烟囱没有进一步腐蚀。炉膛温度提高了70100，熔融物温度提高40左右。熔融物溜槽不像以前那样，在入口处有堵塞的趋势。超浓燃烧稳定，当正常操作受到干扰时，例如断电、更换喷枪等都容易调整。2.2降膜结晶器增浓器的应用及改进应用强制循环原理的普通蒸发增浓器在70年代初由北美CourtesyGoslinBirmingham有限公司和HPD有限公司开发，80年代已广泛用于蒸发增浓黑液至6773，我国四川省雅安纸厂黑液蒸发站、效就是引进这种设备组合式升膜降膜蒸发器(1997年投产)。在80年代末北美进一步改造了这种蒸发器，使增浓黑液固形物含量达7

12、075，或进一步增浓至78，甚至更高。新型蒸发器降膜结晶器增浓器(FFC)，在美国阿肯色州Morrilton厂运行多年，把黑液自65增浓至7881(据称加热面很少出现垢层问题)，进低臭型碱回收炉(固形物处理量990t/h)燃烧，烟气中SO2排放量显著降低，吹灰汽耗减少，能量效率大有改进。FFC设备的关键技术是控制碳酸钠过饱和度，防止固形物在管壁上干涸。这个技术包括强制循环泥浆型黑液中的“晶种”晶粒，以促进结晶在(泥浆)黑液中成长，而不是沉积在加热面上。在FFC中黑液循环速率要维持很高，以减少局部过饱和趋向，闪蒸槽紧随在这种FFC装置之后，当需要时可用作存贮槽。1991年美国奥兰多碱回收炉运行报

13、告会曾报道，在有些地方结晶器增浓器生产最终黑液浓度在7578固形物范围内，偶尔也能得到含固形物80的黑液。他们的经验也是要提高增浓器的蒸汽压力，以便在高温下运行，从而降低黑液粘度；根据中间规模装置研究，操作温度160170是需要的。和上述FFC系统一样，晶体生长需要的晶种(外来固体物质)诸如碱回收炉及静电除尘器的碱灰等，业已证实都是很好的晶种物质，可以加入超级增浓器的黑液中。如前所述，在高固形物结晶器内生成泥浆型浓黑液；同时使泥浆型黑液保持高速的循环，使管束加热面内黑液的沸腾受到限制，并使泥浆型浓黑液在蒸汽间接加热的换热器内加热后，经高固形物增浓器进一步增浓，最后进超高浓黑液闪蒸槽闪急蒸发后，

14、泵送超浓黑液至喷枪进碱回收炉燃烧。强制循环高固形物黑液增浓器的工作原理是控制黑液中无机盐溶解度达到饱和时的沉淀和结晶。2.3黑液热处理系统的应用芬兰Ahlstrom机械公司热能工程部于80年代开发了黑液热处理系统。第一套黑液热处理生产超浓黑液的装置于1989年12月在芬兰METSASELLU公司AANEKoski浆厂(生产KP漂白木浆)黑液蒸发站投入使用。由于该厂增设了黑液加热处理系统，所以蒸发器和碱回收炉的效率都提高了8；尽管黑液固形物含量较高，蒸发器仍容易操作。热处理系统由一系列闪蒸槽、黑液间接加热器及一台反应器组成。该系统设在蒸发站I效蒸发(增浓)器之前，送热处理的黑液(固形物含量455

15、0)在加热系统内逐步由各二次蒸汽串联间接加热，在进入反应器之前用中压新蒸汽加热到180190，在反应器内黑液进行热裂解，停留足够时间后，逐级闪蒸，闪蒸生成的二次蒸汽用于加热进入热处理系统的黑液。由于热裂解，黑液中木素大分子和半纤维大分子降解，使黑液粘度永久地降低6575。热处理后这种低粘度黑液进I效板式降膜蒸发器增浓至7580。这种超浓黑液在常压下贮存后，仍以传统方式泵送至混合糟，与芒硝、碱灰等混合后进低臭型碱回收炉燃烧。据报道，到1995年，世界上已有6套黑液热处理系统在运行，其中包括1993年11月美国Oregon州Halsay市PopeTalbot厂的技改工程。该工程采用了黑液热处理技术

16、。当时该厂日产450t漂白KP木浆，因安装一套氧脱木素系统，使黑液蒸发站和碱回收炉负荷增加；厂方预料一旦氧脱木素系统成功投产后，多效蒸发器和碱回收炉就是浆厂生产最大的“瓶颈”,决定由Ahlstrom公司安装一套黑液热处理系统和增浓器等设备。这些新设备与原有蒸发站改造组合成的技改工程，使碱回收炉固形物处理量由原有860t/d增至1020t/d，不仅能处理因安装氧脱木素所增加的黑液干固物，而且还能满足浆厂进一步增产的需要。Ahlstrom公司还认为黑液热处理对草浆黑液比较适合。热处理降低草浆黑液粘度的效果比木浆黑液大得多；在1994年前后，该公司曾对草浆黑液热处理进行了可行性研究。一般认为，影响提

17、高草浆黑液蒸发增浓是黑液粘度太高，输送困难，蒸发器易结垢，因此经常导致管道、泵及黑液喷枪的堵塞。据称，草浆黑液经热处理后，粘度也不可逆地降低，容易蒸发增浓，可使目前出增浓效的黑液固形物含量自4550增至6065，直接进低臭型碱回收炉燃烧，取消炉后烟气，黑液直接接触蒸发。低臭碱炉燃烧黑液不仅减少含硫臭气的排放，也不需要辅助燃料。碱炉不仅产汽量增加，而且安全性和稳定性均有提高。2.4TuBELunitsTM增浓技术的开发和应用大约是在1993年底，芬兰Tampella动力公司又推出革新的超级增浓器技术TuBELunits。这是在第一种管式超级增浓器的基础上进一步发展的。第一台工厂规模TuBELun

18、its超级增浓器於1994年初在芬兰联合造纸公司的Jontseno浆厂(年产KP漂白木浆32万t)黑液蒸发站投产，黑液固形物含量自65增浓至85。该厂生产实践证明，当碱炉燃烧黑液固形物含量80或更高时几乎可以完全消除烟气中含硫污染物的排放。值得注意的是，这种TuBELunits结构能减少结垢，防止积垢堵塞，容易清洗且不必停机；它综合了传统管式和板式降膜蒸发器的优点，其商标为TuBELTM，它与早期管式降膜超级增浓器的结构不同。在TuBEL结构中，增浓的黑液沿加热面管束外侧呈液膜降流，中压加热蒸汽在内侧。据称，用传统轮换洗涤循环就很容易保持传热面清洁，不锈钢加热面材料有很好的防腐蚀保护作用，特别

19、耐应力腐蚀。TuBELunits把板式结构的重量轻和管式结构的强固性等优点组合在一起。为保证制造质量，采用类似碱炉制造所用的自动焊接方法。2.5有REVAPTM系统的超级增浓器应用1994年以后瑞典Kvaerner制浆公司推出有REVAPTM系统的超级增浓器。据称，这种二次蒸汽再循环系统能使高浓黑液降膜并高度湍动，除显著改进传热外，也能减少结垢并改进洗涤效率，用低压蒸汽就能生产固形物含量高达80的黑液；如果在增浓器各体分别加些中压蒸汽，那么出效的黑液固形物含量可高达85。这种超级增浓器曾在瑞典Sodra制浆公司Varo浆厂使用。该厂生产TCF(全无氯)全漂针叶木硫酸盐浆，正逐步向全封闭漂白车间

20、迈进，要求黑液蒸发水量自345t/h增至485t/h，浓度自68增浓至75。原有黑液蒸发生产线有两条；第一条是效(5个升膜蒸发器，1个降膜蒸发器)；第二条是效(2个强制循环蒸发器增浓器组和4个降膜蒸发器)。这个技改工程在新蒸发线上装设1个新I效增浓器(用三体)和3个新连续效(即、和效)和原有降膜蒸发生产线平行操作，它们都使用新增浓器(I效)来的二次蒸汽，原有2台强制循环蒸发装置停用。新增浓器采用REVAPTM系统以改进传热和减少结垢倾向。新增浓器(I效三体)黑液固形物含量分别在63、69和75下运行，都是管壳式，黑液走管内。2.6“压力贮存”超级增浓技术的应用在1995年芬兰Ahlstrom公

21、司推出了“黑液压力贮存技术”。此技术是基於在高温下黑液粘度显著降低，80超浓黑液在140时，粘度200300cP是可泵送的安全范围。通过使用中压蒸汽把最终增浓的黑液加热到足够高的温度，以降低粘度，并补偿高浓黑液的沸点升高。增浓器最终出来的黑液，通过闪蒸降低压力和温度后，贮存在压力贮存槽中；控制贮存槽的压力，使黑液保持一定的温度以降低粘度。值得注意的是，在黑液增浓的同时，该系统还控制黑液中无机盐结晶，保持加热面清洁。据称：新开发的结晶技术解决了高浓黑液蒸发的结垢问题使无机钠盐的结晶在受到控制的地方生成，防止在加热面形成积垢。该技术首先在芬兰MetsaRauma新浆厂应用，该厂由芬兰JaakkoP

22、oyry承建，年产KP全无氯(臭氧)漂白木浆50万t，于1996年3月投产。黑液蒸发和超级增浓全都采用Ahlstrom的板式降膜蒸发器和压力贮存技术；而超浓黑液燃烧用的碱炉由Tampella动力公司提供，碱炉固形物处理量3000t/d，产汽量540t/h，蒸汽参数压力920kPa，温度490，浆厂热电平衡有余，除满足全厂用汽外，碱炉产汽量的25供附近的一座纸厂；除满足全厂用电(包括臭氧制备电耗等)外，节余40的电能，经电网外销。该蒸发站蒸发水量702t/h，木(松及云杉)浆黑液增浓至80。先在效蒸发器(最后是I效三体)使黑液增浓至6570(通过切换洗涤保持加热面清洁)，然后在常压浓黑液槽贮存。

23、自浓黑液槽来的黑液与碱灰混合后，进超级增浓器增浓到需要的浓度。出超级增浓器的黑液进闪蒸槽调整温度和浓度，固形物含量80的超浓黑液进压力贮存槽贮存并由此泵送碱炉。除全厂停机检修外，黑液蒸发站开机一年多来，一直连续运行，黑液固形物含量保持在7880之间。在几次试验中，黑液固形物含量可达80以上，均未遇到任何问题。在整个运行期间，黑液超浓蒸发器只是偶尔或是在测试洗涤程序时洗涤过。在全厂停机检修期间入内观察，发现超浓蒸发器加热面保持清洁。3对几种超级增浓技术比较及发展的理解在制浆造纸工业中先后应用的六种黑液超级增浓技术的工作原理和工艺流程基本上可概括为三种，即：超级增浓、强制循环结晶增浓和加热处理后超

24、级增浓。而且这三种技术彼此之间还有大同小异，互相补充和相互渗透等特点，例如：(1)这三种技术都采用中压蒸汽(120kPa,250)作加热介质，以补偿超高浓黑液的沸点升高，并使黑液加热至160190，大幅度降低粘度，在实现超级增浓的同时，也解决了超浓黑液的输送和贮存问题。(2)这三种技术都采用黑液降膜循环蒸发技术和闪急蒸发技术，并把它们卓越的蒸发传热性能和不易结垢性紧密结合起来，尽可能减少结垢，以便于清洗。(3)除热处理技术外都采用先加碱灰后超级增浓，并不同程度地采用无机盐结晶控制技术和在线轮换洗涤技术，使黑液在超级增浓的同时，尽可能保持蒸发器加热面清洁，力争少洗或免洗。另一方面，这三种蒸发超浓技术装备的性能和投资费用也存在差别。芬兰Ahlstrom公司先后提供两种超级增浓技术(即：黑液热处理和压力贮存技术)。这对两种技术曾有过这样的评价：“与黑液热处理技术相比，压力贮存技术的优点是，能蒸发增浓固形物含量80以上的黑液，而且黑液进超级增浓器之前不需要很麻烦(同时又很昂贵)的黑液间接加热和裂解装置。在新建工程中，采用压力贮存技术所需的投资低；但对改造工程，黑液热处理技术更有吸引力”。不过，Ahlstrom承担的技改工程也有采用压力贮存技术的。与强制循环结晶增浓技术相比，降膜超级增浓压力贮存技术的优点是，虽然也需要循环泵把部分黑液自底部送到增浓器的顶部，以便调整蒸发能力，但其循环量