книги2 / 53

В. Г. Казаков П. В. Луканин Е. Н. Громова

ВЫПАРИВАНИЕ РАСТВОРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Монография

Санкт-Петербург

2022

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна» Высшая школа технологии и энергетики

В. Г. Казаков П. В. Луканин Е. Н. Громова

ВЫПАРИВАНИЕ РАСТВОРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Монография

Санкт-Петербург

2022

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство целлюлозы – сложный комплекс технических решений включающий большое количество разнообразных энерготехнологических схем и процессов с использованием разнообразного гидрометаллургического и пирометалургического оборудования. Особое место в цепочке энергоиспользующих процессов и оборудования следует выделить процесс выпаривания щелоков и оборудование для его реализации.

Выпарные батареи укомплектованы выпарными аппаратами большой единичной мощности (до 10000 м2 и выше). Выпаривание щелоков – сложный физико-химический, химико-технологический процесс и теплотехнический процесс. Он характеризуется экологической опасностью, высокими энергозатратами в форме теплоты и капитальными затратами.

Вышедшее в свет в 2004 г. учебное пособие В. А. Суслова «Основные процессы при выпаривании щелоков целлюлозного производства» посвящено главным образом вопросам теплообмена при выпаривании черных щелоков и в малой степени затрагивает термодинамический анализ работы, накипеобразования и эксплуатационные особенности работы выпарных современных установок. Настоящая монография кратко знакомит читателя с основными процессами и сырьевыми материалами технологии производства сульфатной целлюлозы, без чего трудно осмыслить современный процесс выпаривания на целлюлозных предприятиях и пути его модернизации, методами тепловых и эксергетических расчетов, методами оптимизации параметров выпарных батарей по приведенным затратам.

Главы 1, 9 и 11 написаны доктором технических наук, профессором В. Г. Казаковым, главы 3, 5, 8 – кандидатом технических наук, профессором П. В. Луканиным, главы 4, 6, 7 – кандидатом технических наук, доцентом Е. Н. Громовой, главы 2, 10 – совместно В. Г. Казаковым и П. В. Луканиным.

5

ВВЕДЕНИЕ

Технологические процессы в производствах материалов, станков и инструментов, железнодорожном и автомобильном транспорте, жилищнокоммунальном хозяйстве, химической технологии и др. являются энергоемкими и занимают ведущий сектор в потреблении топливно-энергетических ресурсов страны.

Вчисле крупных потребителей энергии следует выделить процессы химической технологии, в том числе производства целлюлозы, бумаги, глинозема, пищевой, нефтехимической промышленности и др. В этих процессах потребление топлива, водяного пара и электроэнергии составляет до 80 % и выше в себестоимости переработки сырья на целевые продукты. При этом их отличает низкая эффективность использования потребляемой энергии. Высокой энергоемкости таких технологических процессов сопутствует низкий уровень их термодинамического совершенства.

За последние 100 лет бурными темпами развивались процессы и аппараты энергогенерирующих установок. Достигнуты впечатляющие результаты: величина КПД энергетических котлов близка к теоретически возможной при большой единичной мощности, освоены процессы на основе парогазовых циклов, совершенствовались процессы атомных электростанций.

Всфере потребления энергии работы в этом направлении велись с низкой эффективностью. Во многом сложившееся положение является следствием сложности стоящих задач.

Если в сфере генерации энергии КПД современных тепловых циклов можно увеличить на доли или в лучшем случае на единицы процентов, то в сфере потребления, как показывают наши исследования, КПД может быть увеличен на десятки процентов, и достигать величины до 90 % и выше. Именно поэтому очень высока эффективность капитальных вложений при энергосбережении в сфере потребления. При развитии производства, как правило, принимают решение по развитию энергетических мощностей. Между тем, применение научно обоснованных энергосберегающих технологий в сфере потребления энергии часто обеспечивает наращивание мощностей по выпуску продукции без введения дополнительных капиталоемких энергетических мощностей (котлов, ТЭЦ и т. д.).

Втечение длительного времени промышленная теплоэнергетика в сфере теплоснабжения развивалась по экстенсивному пути. Задачи по наращиванию производственных мощностей в большинстве случаев связывались с эквивалентным наращиванием энергетических мощностей. Установкой новых современных промышленных котельных или ТЭЦ кардинально не решалась задача энергосбережения. Между тем в научно обоснованной тепловой схеме технологического процесса при существенно меньших капитальных затратах часто удается повысить термодинамический КПД технологического процесса на десятки процентов. Именно поэтому в последнее время от руководства страны непрерывно идут импульсы на решение проблем энергосбережения как в

6

промышленности, так и в жилищно-коммунальной сфере [1 – 7]. Достижение поставленной цели возможно лишь при интенсивном развитии промышленной теплоэнергетики в сфере потребления теплоты. Практически это возможно при разработке научных основ энергосбережения, включая термодинамический анализ существующих или проектируемых систем, разработку тепловых схем на его основе, оптимизацию их параметров, интенсификацию процессов теплопередачи и освоение или разработку новых типов высокопроизводительной теплообменной аппаратуры. Для процессов химической технологии особенно важным является учет особенностей технологического процесса [8 – 15].

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОМЫШЛЕННЫХ СПОСОБАХ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

1.1.Сырье для производства целлюлозы

Главным видом сырья для производства технической целлюлозы является древесина хвойных и лиственных пород. Запасы хвойных пород древесины в нашей стране сосредоточены в северо-восточных районах Европейской части, в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Отсутствие фенолов и низкое содержание смолы в древесине ели и пихты, на долю которых приходится соответственно 14 % и 5 % всех лесных запасов, делают их главным видом сырья для целлюлозного производства и производства древесной массы. В дальнейшем преимущественное использование ели и пихты для производства белой древесной массы, сульфитной и бисульфитной целлюлозы будет сохраняться. Большая часть лесных запасов Российской Федерации (около 58 %) приходится на сосну и лиственницу, которые являются преобладающей древесной породой в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока. Из-за наличия в их древесине фенолов, высокого содержания смолы и водоэкстрактивных веществ (у лиственницы) сосна и лиственница плохо поддаются сульфитной варке и поэтому не применяются в качестве сырья для сульфитного метода. Однако для бисульфитного, бисульфит-сульфитного, бисульфит-нейтрально-сульфитного и сульфатного методов варки целлюлозы они успешно используются. Для сульфатного метода варки свойства растительного сырья не имеют решающего значения, поэтому для переработки в целлюлозу по этому методу пригодны все породы, но наибольшее промышленное применение нашла древесина сосны.

Среди лиственных пород древесины наибольшее промышленное значение приобрела береза, занимающая более 13 % лесных площадей, второе место принадлежит осине. В южных районах страны промышленное значение могут иметь тополь, ольха, эвкалипт. Древесина лиственных пород широко используется в производстве полуцеллюлозы, сульфатной, сульфитной, бисульфитной целлюлозы, химической, термохимической и термомеханической

7

древесной массы. Ограниченные ресурсы древесины хвойных пород (особенно ели) вообще и в Европейско-Уральской зоне России, где сосредоточена большая часть производственных мощностей целлюлозного производства в частности, создали проблему обеспечения их древесным сырьем. В связи с этим на расширение сырьевой базы и изменение структуры перерабатываемого сырья за счет вовлечения в переработку лиственных пород, низкокачественной древесины, отходов лесозаготовок и деревообрабатывающих производств, тонкомерной древесины, вторичных ресурсов и однолетних растений обращено особое внимание. Кроме более полного удовлетворения отрасли сырьем, одновременно достигается экономия деловой древесины, повышается эффективность производства и экологичности производства.

При организации переработки древесины лиственных пород необходимо учитывать следующее:

–древесина лиственных пород значительно труднее поддается окорке, чем хвойных: средняя плотность лиственных пород на 25 % выше хвойных;

–диаметр и длина волокна на 35 – 50 % меньше;

–прочность лиственной целлюлозы значительно меньше, чем хвойной;

–использование лиственной целлюлозы вполне себя оправдывает в композиции с хвойной целлюлозой;

–возникает проблема выщипывания волокна, свойственная всем видам целлюлозы из лиственных пород, но она решается добавкой крахмала и синтетических веществ;

–тонкомерная древесина лиственных пород равноценна крупномерной, чего не наблюдается у хвойных;

–древесина лиственных пород наиболее пригодна для производства беленой сульфатной и сульфитной целлюлозы, беленой полуцеллюлозы и нейтральносульфитной полуцеллюлозы для гофры.

Доля древесины лиственных пород в сырьевом балансе мирового целлюлозно-бумажного производства будет непрерывно расти. Отличие химического состава древесных пород также существенно сказывается на выходе и свойствах получаемых из них волокнистых полуфабрикатов, поэтому этот фактор при производстве учитывается. В табл. 1.1 приведен химический состав древесины наиболее распространенных отечественных пород.

Влажность свежесрубленной древесины находится в пределах 25 – 40 %. Воздушно-сухому состоянию древесины, высушенной в естественных условиях, отвечает влажность 15 – 20 %. Влажность мокрой древесины (после длительного пребывания в воде) может достигать 60 % и более.

8

Таблица 1.1 – Химический состав древесины

Для древесины различают два понятия плотности: плотность древесины как физического тела и плотность собственно древесного вещества. Вследствие капиллярно-пористой структуры древесной ткани ее внутренняя поверхность составляет около 300 м2/г, лишь от 20 до 50 % общего объема древесины приходится на долю древесного вещества (для ели около 30 %). Оставшийся объем древесины приходится на пустоты. Плотность древесины зависит как от плотности упаковки структурных элементов древесной ткани, так и от влажности. Плотность абсолютно сухой древесины зависит только от объема пустот, поэтому для сравнения между собой образцов древесины по плотности необходимо привести их к одной и той же влажности. Наиболее удобно пользоваться плотностью древесины в абсолютно сухом состоянии.

Плотность собственно древесного вещества для всех пород древесины практически постоянна и принимается равной 1540 кг/м3. Плотность древесины большинства пород меньше плотности воды, поэтому в воде такая древесина плавает. Исключение составляет древесина в состоянии полного насыщения пустот водой (при длительном хранении в воде). В этом случае плотность древесины превышает плотность воды, и она тонет. По этой причине наблюдались большие потери древесины при ее доставке сплавом, особенно россыпью (молем). Поэтому этот способ сплава в настоящее время на многих реках запрещен. Для наиболее широко распространенных в РФ пород плотность древесины в абсолютно сухом состоянии в среднем может быть принята, кг /м3: для ели – 435, сосны – 470, пихты – 380, лиственницы – 650, осины – 430, березы – 600, бука – 660.

Ценность древесины как сырья для производства волокнистых полуфабрикатов определяется плотностью, с увеличением плотности сырья возрастает производительность оборудования.

9