該創(chuàng)新涉及漿料(pulp)生產(chǎn)，更具體地說，涉及提高硫酸鹽蒸煮(kraft?cooking)工藝的漿料產(chǎn)率。

背景技術(shù)：

1、近年來，作為各種工業(yè)和產(chǎn)品的原料，生物質(zhì)的利用已經(jīng)增加。在這種情況下，漿料和造紙工業(yè)提供了低碳足跡的材料，包括溶解漿，這可供應(yīng)大量工業(yè)，例如再生纖維素(例如粘膠纖維和萊賽爾纖維(lyocell?fiber)、玻璃紙和海綿)、乙酸纖維素、硝酸纖維素和一些其他纖維素。

2、紙漿和造紙工業(yè)所用的木材和其他材料由四種主要化學(xué)成分形成--即纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和抽提物。與造紙級紙漿相比，溶解漿的特點(diǎn)是純度較高，例如纖維素含量較高，而半纖維素含量較低。前者的挑戰(zhàn)是在蒸煮和漂白反應(yīng)中應(yīng)去除大部分木質(zhì)素和抽提物，同時保留大部分纖維素和半纖維素，而溶解漿的挑戰(zhàn)也是應(yīng)去除半纖維素，使產(chǎn)品中的α-纖維素純度為至少90％。

3、木材，無論軟木還是硬木，都是漿料工業(yè)所用的主要原材料。雖然所有種類的大分子成分都是相似的，但各成分之間的比率可有所不同，如表1所示(sixta,2006)。

4、表1組成(％)

5、

6、

7、木材成本影響漿料生產(chǎn)的成本，因此漿料產(chǎn)率是重要的經(jīng)濟(jì)因素以及開發(fā)和研究的領(lǐng)域。由于去除了纖維素以外的大部分木材成分，溶解漿工藝的產(chǎn)率可以為35％至38％，低于造紙級制造工藝，后者的產(chǎn)率通常超過50％。

8、硫酸鹽工藝(kraft?process,kp)和預(yù)水解硫酸鹽蒸煮(prehydrolysis?kraftcooking,phk)工藝或預(yù)水解硫酸鹽蒸煮(prehydrolysis?sulfate?cooking)已在例如sixta,h.,handbook?of?pulp(紙漿手冊)等文獻(xiàn)中有描述，也用于由木質(zhì)纖維素材料分別生產(chǎn)造紙級紙漿和溶解漿。

9、在硫酸鹽蒸煮工藝之前應(yīng)用的預(yù)水解步驟可以選擇性地分解和溶解半纖維素等短鏈分子，產(chǎn)生富含酸性碳水化合物的水相。預(yù)水解強(qiáng)度(severity)由所謂的p因子控制，p因子是結(jié)合了預(yù)水解階段反應(yīng)溫度和保留時間的單一參數(shù)，其被操縱用來控制漿料純度。漿料純度可以通過例如α纖維素測試(tappi?t-203)或堿溶解度方法(tappi?t-235)或其他標(biāo)準(zhǔn)的類似方法來確定。

10、在預(yù)水解過程中，由于半纖維素分子鏈(主要是硬木中的(葡糖醛酸)木聚糖和軟木中的(半乳)葡甘露聚糖)的裂解反應(yīng)，乙?；鶗尫诺剿嘀?，從而通常將ph降低到3-4的范圍。此外，隨著礦物酸等催化劑的加入，ph可以進(jìn)一步降至2.0以下，以提高反應(yīng)速率。據(jù)garrote(1999)報道，在預(yù)水解過程中，可以去除木材來源中存在的高達(dá)95％的原始半纖維素含量，而對木質(zhì)素和纖維素分子幾乎沒有影響。從木材來源中去除的半纖維素會以低聚物、單體的形式存在于水溶液中，或轉(zhuǎn)化為糠醛或乙酸等副產(chǎn)物。由此產(chǎn)生的含有溶解的半纖維素的酸液可以稱為水解液或酸性水解液。

11、為了終止預(yù)水解反應(yīng)，在稱為中和的步驟中，通過加入強(qiáng)堿性溶液，例如白液、黑液或其他富含堿的濾液，例如來自后續(xù)冷堿抽提(cold?caustic?extraction,cce)階段的濾液，在比預(yù)水解階段低的溫度下對木片進(jìn)行堿化，從而將ph提高到11以上。

12、在間歇式蒸煮器及其變體中，例如連續(xù)間歇式蒸煮工藝(continuous?batchcooking?process)和超級間歇式工藝(superbatch?process)，已經(jīng)更為廣泛地討論了phk工藝的幾種實(shí)施方式。

13、在間歇式系統(tǒng)中，對于每個蒸煮周期，都要通過容器頂部的開口投放木片來填充間歇式蒸煮器。木片可以通過螺旋和/或帶輸送機(jī)送入蒸煮器中，并在進(jìn)入蒸煮器時通過裝載設(shè)備(packing?device)，以幫助增加每批裝入的木材量。裝載設(shè)備可以包括一組低壓蒸汽噴嘴，以向下推動和分配木片流。水蒸氣將空氣從木片內(nèi)外的空隙中置換出來，氣體不斷從蒸煮器中排出。

14、當(dāng)蒸煮器完全填滿后，關(guān)閉頂部開口，向容器內(nèi)注入更多蒸汽，以將木片加熱到目標(biāo)預(yù)水解溫度，例如高于150℃。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時，關(guān)閉蒸汽閥，將蒸煮器保持一段時間，直到達(dá)到目標(biāo)p因子。

15、在間歇式系統(tǒng)中，隨著木片和蒸汽被送入蒸煮器，在“蒸汽階段”進(jìn)行預(yù)水解步驟，直到預(yù)水解完成。在這一階段，容器內(nèi)的液體介質(zhì)是木材水分和蒸汽冷凝水的混合物，主要位于木片空隙內(nèi)，木片之間的游離液體的量微不足道。在預(yù)水解反應(yīng)之后，隨著乙酸的形成和半纖維素在液相中的溶解，每骨干公噸木材的總液體體積可能不會超過1立方米(m3/bdtw)。

16、在預(yù)水解之后，通過在蒸煮器底部注入強(qiáng)堿性溶液來進(jìn)行中和步驟，隨著更多液體(liquor)的加入，中和液會通過蒸煮器被置換。隨著中和液浸漬木片，它會同時置換木片內(nèi)空隙中形成的酸水解液并與其混合。因此，phk間歇式系統(tǒng)幾乎不會產(chǎn)生可以分離并重新用于其他目的酸流。

17、phk蒸煮工藝還可以包括包括連續(xù)蒸煮系統(tǒng)的實(shí)施方式，更具體地說，是預(yù)水解步驟在與堿法蒸煮階段分開的容器中進(jìn)行的系統(tǒng)。

18、在此類系統(tǒng)中，木片等木質(zhì)纖維素材料和水/冷凝水被連續(xù)送入能夠在所需的時間和溫度下保持其內(nèi)容物以達(dá)到所需的預(yù)水解反應(yīng)強(qiáng)度的容器(例如預(yù)水解容器或phv)的頂部。

19、最初預(yù)水解步驟可以在蒸汽相中進(jìn)行，例如在phv頂部，而生物質(zhì)則通過直接蒸汽注入被加熱，但大部分預(yù)水解反應(yīng)都在水相中以如下方式進(jìn)行：即相對于木片的量，存在于容器內(nèi)的水的量通常為2-5m3/bdtw。與例如間歇式蒸煮器相比，這一水量要明顯更高，在間歇式蒸煮器中，水量通常不高于1m3/bdtw，因為在這一階段，蒸煮器內(nèi)的大部分水只是由于木材水分和直接蒸汽加熱生成的冷凝水所致。

20、中和通常在phv內(nèi)部(容器的最低區(qū)/底部)或后續(xù)蒸煮器的頂部，甚至在將木片從預(yù)水解容器轉(zhuǎn)移到蒸煮器的管道中進(jìn)行。

21、在中和階段開始之前，可以通過一個或多個濾網(wǎng)(過濾器)部分從phv容器中抽提部分游離的酸性水解液。這種早期抽提有若干目的，例如從工藝中去除溶解的半纖維素，以提高漿料純度或產(chǎn)生木糖醇或糠醛等半纖維素衍生副產(chǎn)物。抽提的酸性水解液可以用白液中和，與廢蒸煮液混合，然后送往熱回收系統(tǒng)(閃蒸罐或熱交換器)，然而再送入回收島，半纖維素和其他有機(jī)化合物一起在回收鍋爐中燃燒，用于產(chǎn)生蒸汽。

22、可用于抽提的水解液的量取決于幾個因素，例如木片水分、木片進(jìn)水量(waterintake?with?chip)、phv容器頂部直接蒸汽加熱過程中產(chǎn)生的蒸汽冷凝水、phv脫氣、預(yù)水解強(qiáng)度系數(shù)、預(yù)水解產(chǎn)率以及是否進(jìn)行phv底部置換洗滌。

23、phv內(nèi)剩余的游離和結(jié)合的水解液部分與木片一起被中和，并經(jīng)由轉(zhuǎn)移循環(huán)生產(chǎn)線(line)運(yùn)送到蒸煮器。

24、將木片從phv底部轉(zhuǎn)移到蒸煮容器(例如蒸煮器)的頂部，以進(jìn)行堿法硫酸鹽蒸煮工藝。蒸煮器的配置有很多種，它們之間的區(qū)別在于例如循環(huán)區(qū)的數(shù)量、液體添加、抽提點(diǎn)、過濾器的數(shù)量/位置以及蒸煮器是水力還是蒸汽液相類型。

25、一些工廠已經(jīng)進(jìn)行了擴(kuò)建項目，目前在同一廠址有不止一個蒸煮裝置(cooking)。此外，這些現(xiàn)有設(shè)施(existing?installations)中的許多已永久性地或靈活/波動性地從造紙級紙漿工廠轉(zhuǎn)為溶解漿工廠。

26、同時生產(chǎn)造紙級紙漿和溶解漿的相鄰并行生產(chǎn)線允許整合兩條生產(chǎn)線。側(cè)流，例如從一個蒸煮器中抽提的液體，可以用于另一條生產(chǎn)線的戰(zhàn)略位置，以提高制漿產(chǎn)率和/或質(zhì)量。作為舉例，bogren等人(wo/2013/178608)披露了使用這種整合的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，將含有高分子量木聚糖的冷堿提取濾液(cce濾液)從生產(chǎn)溶解漿的預(yù)水解硫酸鹽漿料生產(chǎn)線中抽提出來，并送往生產(chǎn)傳統(tǒng)硫酸鹽漿料的并行硫酸鹽漿料生產(chǎn)線，以提高硫酸鹽漿料產(chǎn)率，改善最終硫酸鹽漿料的工藝經(jīng)濟(jì)性和機(jī)械性能。在木材的堿浸漬完成后，加入所述cce濾液，使其成為殘余蒸煮液。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、發(fā)明概述

1、本文在不同實(shí)施方案公開的提高硫酸鹽蒸煮設(shè)施產(chǎn)率的裝置、方法和系統(tǒng)為至少兩個并行的蒸煮設(shè)施提供了協(xié)同效應(yīng)，例如，一個蒸煮設(shè)施在預(yù)水解硫酸鹽工藝中生產(chǎn)溶解漿，另一個蒸煮設(shè)施通過硫酸鹽制漿工藝生產(chǎn)硫酸鹽漿料。一些實(shí)施方案可以通過回收溶解在酸性水解液中的半纖維素來提高生產(chǎn)硫酸鹽漿料的硫酸鹽蒸煮設(shè)施的蒸煮產(chǎn)率。在一些實(shí)施方案中，原本可能被放置到回收島用于產(chǎn)生蒸汽和/或用于生產(chǎn)副產(chǎn)物的抽提的水解液流，在相鄰硫酸鹽漿料生產(chǎn)線中被重新利用，用于生產(chǎn)硫酸鹽漿料。在所公開的裝置、方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案中，溶解漿生產(chǎn)線上可以沒有冷堿抽提步驟，因為只需進(jìn)行預(yù)水解步驟就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)漿料純度，并在硫酸鹽漿料生產(chǎn)線中重新利用酸性水解液流。

2、在一些條件下，溶解在酸性水解液中的部分半纖維素和其他有機(jī)化合物會沉淀到纖維上，從而增加蒸煮產(chǎn)率，因此降低總的特定木材消耗和/或增加紙漿通量(pulpthroughput)。所公開的裝置、方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案還可以使最終漂白漿料的半纖維素含量增加，從而例如提供改善的打漿性能、機(jī)械性能和/或類似性能。

3、所公開的裝置、方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案可以包括兩種方法，用于在硫酸鹽漿料的硫酸鹽蒸煮工藝中重新利用酸性水解液。

4、一種方法(a)包括預(yù)處理步驟，在該步驟中，在堿法蒸煮工藝之前，將木片送入酸浸漬階段。將蒸過的木片與從相鄰phk生產(chǎn)線抽提的冷卻酸性水解液混合，從而用水解液浸泡木片和并使其飽和，并且溶解的半纖維素會沉淀到纖維上。將酸性水解液冷卻到所得木片和水解液混合物的溫度變?yōu)?0℃-125℃或100℃的程度。在此步驟之后，可以進(jìn)行任何硫酸鹽蒸煮工藝來生產(chǎn)漿料，例如傳統(tǒng)蒸煮或其他改良蒸煮方法，例如itc蒸煮、低固形物工藝(lo-solids?process)、緊湊型蒸煮工藝(compact?cooking?process)、超級間歇式蒸煮和/或類似方法。

5、可以在提供或不提供大量保留時間的情況下在連續(xù)蒸煮器中進(jìn)行酸浸漬階段。換句話說，可以只使用木片進(jìn)料系統(tǒng)將木片直接送往蒸煮器，此時浸漬階段的保留時間較短(<5min)，或者可選地使用蒸煮器頂部來提供較長的保留時間，或者另一種安排是使用單獨(dú)的容器進(jìn)行酸浸漬步驟。

6、對于間歇式蒸煮設(shè)施，酸性木片浸漬與隨后的堿法硫酸鹽漿料蒸煮步驟可以在相同的蒸煮器中進(jìn)行(例如，在蒸煮器木片填充順序和硫酸鹽蒸煮階段之間)。

7、在不同的實(shí)施方式中，半纖維素的回收程度可取決于幾種因素，例如但不限于木材種類和應(yīng)用的工藝條件，其中保留時間對所獲得的結(jié)果有重大影響。這種保留時間的影響已在實(shí)驗室中通過用巨尾桉(eucalyptus?urograndis)進(jìn)行中試規(guī)模的蒸煮得到了驗證。將不同酸浸漬時間下的漿料產(chǎn)率與不使用水解液回收步驟且卡伯值水平相同的參考蒸煮進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)使半纖維素回收率最大化的保留時間為40-100分鐘，如表a所示。然而，由于實(shí)施成本較低，浸漬時間最短(沒有額外的容器或區(qū)域)的工藝在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。

8、第二種方法(b)涉及將酸性水解液注入蒸煮器內(nèi)的堿蒸煮區(qū)，而不是具有專用的酸浸漬容器或區(qū)域。連續(xù)蒸煮蒸煮器的實(shí)施方式可以包括由容器壁中的過濾器隔開的各種蒸煮區(qū)，在這些蒸煮區(qū)中發(fā)生液體循環(huán)、液體抽提和注入、溫度和堿特征變化。

9、根據(jù)第二種方法(b)，將酸性水解液加入到低堿濃度蒸煮區(qū)，例如加入到最后的蒸煮區(qū)，其中殘留的有效堿低于10g?ea/l，這樣，在蒸煮反應(yīng)的同時，半纖維素會沉淀到纖維表面上。

10、對于間歇式蒸煮器和方法(b)，在蒸煮循環(huán)結(jié)束時和/或在隨后的冷置換階段引入酸性水解液。

11、在一個實(shí)施方案中，公開了提高硫酸鹽蒸煮設(shè)施中的漿料產(chǎn)率的工藝，包括：利用來自生產(chǎn)溶解木漿的相鄰預(yù)水解硫酸鹽工藝的酸性水解液流。

12、在另一個實(shí)施方案中，公開了用于生產(chǎn)硫酸鹽漿料的方法，包括：從生產(chǎn)溶解木漿的預(yù)水解硫酸鹽工藝中抽提酸性水解液；將酸性水解液應(yīng)用于硫酸鹽蒸煮設(shè)施的硫酸鹽蒸煮工藝。

13、在另一個實(shí)施方案中，公開了用于生產(chǎn)硫酸鹽漿料的系統(tǒng)，包括：硫酸鹽蒸煮設(shè)施；和向硫酸鹽蒸煮設(shè)施的硫酸鹽蒸煮工藝提供酸性水解液的酸性水解液源。

14、附圖簡要描述

15、附錄和/或附圖說明了根據(jù)本說明書的各種非限制性、示例性、創(chuàng)新性方面：

16、圖1顯示了一個實(shí)施方案的phk蒸煮設(shè)施的流程圖，該流程圖代表了用于溶解品級漿(dissolving?grade?pulp)生產(chǎn)的雙容器連續(xù)蒸煮器，其中生成酸性水解液的側(cè)流含有所述溶解的半纖維素；

17、圖2顯示了在硫酸鹽蒸煮設(shè)施中用于硫酸鹽漿料的方法a的實(shí)施方案的流程圖，該流程圖代表了帶有單獨(dú)的酸性木片浸漬容器的雙容器連續(xù)蒸煮器配置；

18、圖3顯示了在硫酸鹽蒸煮設(shè)施中用于品級硫酸鹽漿料的方法a的實(shí)施方案的流程圖，該流程圖代表了一個容器配置(連續(xù)或間歇式蒸煮器)；

19、圖4顯示了在硫酸鹽蒸煮設(shè)施(連續(xù)或間歇式蒸煮器)中用于硫酸鹽漿料的方法b的實(shí)施方案的流程圖；以及

20、圖5顯示了在一個實(shí)施方案中，在寬泛的卡伯值范圍內(nèi)，對所述用于硫酸鹽漿料的方法a和b二者與參考蒸煮工藝的蒸煮篩選產(chǎn)率(cooking?screened?yield)進(jìn)行的比較。

21、附圖詳細(xì)描述

22、所公開的裝置、方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案包括兩個并行的連續(xù)蒸煮設(shè)施，一條生產(chǎn)線生產(chǎn)預(yù)水解硫酸鹽溶解木漿(phk)，第二條生產(chǎn)線通過硫酸鹽工藝(kp)生產(chǎn)硫酸鹽漿料(kp)。備選的實(shí)施方案包括兩條并行的生產(chǎn)線，其中溶解木漿在連續(xù)的phk工藝中生產(chǎn)，而硫酸鹽漿料則在間歇式硫酸鹽工藝中生產(chǎn)。phk工藝可以包括一個或多個容器。

23、圖1顯示了一個實(shí)施方案中用于溶解品級漿生產(chǎn)的預(yù)水解硫酸鹽(phk)連續(xù)蒸煮設(shè)施的配置。在這一實(shí)施方案中，木片101、水105和蒸汽110被送入進(jìn)行預(yù)水解反應(yīng)的容器115中。加入水和/或蒸發(fā)設(shè)施清潔冷凝水，例如，相對于木材輸入流，加入的量為0.5-5m3/bdtw，或1-3m3/bdtw。phv容器內(nèi)的預(yù)水解溫度可以由蒸汽流控制，以達(dá)到給定木片保留時間下的目標(biāo)預(yù)水解強(qiáng)度(p因子)，例如，p因子在50-1000單位范圍時，溫度范圍為140-175℃。

24、隨著半纖維素的逐步降解和溶解，反應(yīng)器的液相轉(zhuǎn)化為水解液。在上述條件下，例如經(jīng)由預(yù)水解容器115上的過濾器，可以從木片流中分離出高達(dá)5m3/bdtw或高達(dá)2m3/bdtw的水解液，然后送往并行的硫酸鹽漿料生產(chǎn)線進(jìn)行回收。木片被轉(zhuǎn)移到第二容器(蒸煮器)120，經(jīng)蒸煮產(chǎn)生溶解品級漿125。

25、所公開的裝置、方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案包括實(shí)施方法a和/或b，以便在第二并行生產(chǎn)線中重新利用水解液，這可以有助于降低總特定木材消耗。

26、圖2代表了方法a的一個實(shí)施方案類型。可以將木片201和水解液205連續(xù)送入容器210中，在70-125℃的溫度下進(jìn)行酸浸漬的時間長達(dá)180分鐘或40-100分鐘。在一些實(shí)施方式中，水解液可以以包含高達(dá)5m3/bdtw或0.5-2m3/bdtw木材的量加入，并可以通過閃蒸和/或在間接熱交換器中冷卻，以達(dá)到目標(biāo)浸漬溫度。水解液浸漬的木片215從容器出口轉(zhuǎn)移到后續(xù)蒸煮器220中進(jìn)行連續(xù)硫酸鹽蒸煮，以生產(chǎn)造紙級木漿225。

27、圖3代表了方法a的另一種變型。在這個實(shí)施方案中，木片和水解液301直接送入蒸煮器305的頂部，而不是送入單獨(dú)的容器。在此實(shí)施方案中，以與上述相同的質(zhì)量(massquantity)、浸漬時間和溫度，在蒸煮器的最頂端區(qū)域發(fā)生酸浸漬。在啟動堿法蒸煮工藝的設(shè)計部分(designed?section)，可以抽提過量水解液，并用白液310和/或其他堿液代替，以中和并堿化酸性木片和剩余水解液。中和之后，之后的蒸煮區(qū)是任何硫酸鹽蒸煮工藝的典型蒸煮區(qū)，不再贅述。

28、上述方法a可進(jìn)一步衍生為這樣的實(shí)施方案：其中kp生產(chǎn)線包括間歇式蒸煮系統(tǒng)。在這些實(shí)施方案中，水解液可以例如：

29、—被冷卻，并與木片同時進(jìn)料至蒸煮器頂部；或

30、—在加載木片后被注入蒸煮器底部，并進(jìn)一步通過注入液體(例如白液和/或其他堿液)通過蒸煮器加以置換，以中和并堿化酸性木片和剩余水解液。

31、圖4顯示了方法b的實(shí)施方案。在包括多個區(qū)的連續(xù)蒸煮蒸煮器401中，以相對于干木材輸入流高達(dá)2m3/bdt的量，將水解液405加入到例如最低的蒸煮區(qū)(例如，最終蒸煮區(qū))?？梢詮恼糁笃髦谐樘崞ヅ淞康暮谝?10，這樣液體與木材的流量比就不會受到水解液加入的不利影響。在此實(shí)施方式中，沉淀/蒸煮組合階段中的保留時間可以為30-90分鐘，以naoh計殘留的有效堿低于10g/1，硫酸鹽蒸煮工藝的典型溫度(140-170℃)。

32、在用于間歇式蒸煮系統(tǒng)方的法b的備選實(shí)施方式中，水解液405可以在蒸煮階段的中間時間加入到蒸煮器401中，例如，與蒸煮器內(nèi)的蒸煮液混合并利用剩余的蒸煮時間進(jìn)行循環(huán)，通過蒸煮器置換(在沒有循環(huán)泵的系統(tǒng)中)，和/或類似方式。

33、圖5顯示了在一個實(shí)施方案中，在寬泛卡伯值505范圍內(nèi)，對用于硫酸鹽漿料的方法a和b的實(shí)施方式與參考蒸煮工藝的蒸煮篩選產(chǎn)率501進(jìn)行的比較。

34、表2顯示了在寬范圍的保留時間內(nèi)和在可比的卡伯值下，方法a的實(shí)施方式的篩選蒸煮產(chǎn)率的絕對增長。

35、表2

36、方法a-不同保留時間的篩選蒸煮產(chǎn)率的增加

37、