紙漿脫色中改善臭氧循環氣流的方法

2023-05-16 19:42:46

專利名稱：紙漿脫色中改善臭氧循環氣流的方法
技術領域：
本發明涉及臭氧發生工藝中用的一種再循環氣流的改善，尤其涉及木紙漿的臭氧脫色處理中臭氧再循環氣流中的雜質去除。
通常，臭氧發生技術是該領域的技術人員所熟悉的，然而，在大量的公知方法中，僅有兩種方法具有明顯的商業價值。即對空氣或氧氣進行紫外線照射，和在空氣或氧氣中進行電暈或放電。紫外線照射法僅能夠產生低濃度的臭氧，因此限用於食品處理工藝。諸如廢物處理或紙漿脫色處理中需要較高臭氧濃度，因而就要用電暈或放電方法。
由於空氣不純，利用空氣發生臭氧時，臭氧的濃度限制在4(重)%左右。利用純氧能提高濃度，但純氧可能是一種價格貴的原料。因此理想的是在臭氧為一定目的使用後，使所排出的含氧氣體進行再循環，當這些氣體再循環時，必須將各種雜質從再循環氣流中去除，以保持臭氧發生工藝中有一個最小的效率。
從臭氧發生再循環氣流中去除包括二氧化碳在內的各種雜質的技術中，有許多不同的公知方法，例如，第3，151，943號美國專利公開了一種提純臭氧發生裝置中的排出的氧氣的方法。這篇文獻是那些認識到雜質影響臭氧發生效率但沒論述雜質含量與發生效率的具體關係的已有技術中的典型。通常，雜質被看成置換氧氣的衝淡劑。
第3963625號，第3748262號和第4430306號美國專利公開了使用如沸石和矽酸鋁這樣的分子過濾物或者吸附劑，以去除臭氧發生再循環裝置中的雜質的方法。第4287130號和第4399292號美國專利各公開了採用逆流的方式，通過使用如氫氧化鈉之類的鹼性物質來進行洗滌，以從再循環氣流中去除有機化合物的方法。第4287130號專利還探討了使用碳酸氫鹽洗滌以去除二氧化碳，以及放出廢氣中的無機化合物。美國專利第4132637號公開了一種臭氧廢氣處理裝置。在該裝置中，只有一部分「廢氣」再循環至臭氧發生器中，從而減少了供氣中的雜質量。
除了上述文獻，美國第2700648號，第3421999號和第3715430號專利還各自公開了儘管不使用再循環裝置，仍可去除發生臭氧的供氣中的二氧化碳的方法。第3715430號和第3421999號專利使用活性炭過濾器。第2700648號專利則考慮利用使用氫氧化鈉或鹼石灰的吸附器或洗滌器。
這些文獻探討了上述所有描述方法和裝置，以去除再循環氣流中的各種雜質，或者消除發生臭氧的供氣中的二氧化碳。然而，這些文獻中沒有一篇探討了雜質的含量或者雜質的去除。而且，沒有一篇揭示了在與木紙漿的臭氧脫色關聯的條件下，臭氧的發生以及再循環氣體的改善。第4279694號美國專利展示了紙漿脫色工藝中臭氧再循環裝置的方框圖，但並沒有揭示操作細節。同上述那些文獻一樣，它也沒有探討雜質去除的程度。採用臭氧紙漿脫色法會產生高含量的二氧化碳，這一含量在已有技術公開的各種裝置中顯然並未加以正確估價。
已有技術預言，在整個運行範圍內臭氧發生效率與二氧化碳含量沒有什麼特別關聯。正如其它雜質的情況一樣，二氧化碳起初被視為一種衝淡劑，簡單地認為由於它使存在的氧氣量減少而對臭氧發生造成有害影響，在《化學進展叢書》第21卷的第309-10頁(美國化學協會，1959年3月)的《臭氧化學與技術》部分，Cromwell與Manely在所著「氣態衝淡劑對從氧氣中產生臭氧的能量產出的影響」一文中闡明，當輸入氣體中二氧化碳濃度在10(重)%以內時，能量產出(每單位能量產出的臭氧)可以期望幾乎沒有損失。這在該技術中已被普遍接受。
除了二氧化碳含量和氧氣總純度以外，臭氧的生成效率還取決於許多其它因素。內貝爾在《化學技術百科全書》第16冊第693-96頁的臭氧部分(約翰.威利父子出版1981年第三版)對各種因素的總體影響做了討論。認為在已討論過的各種因素中，發生器大小、功率密度以及流速對發生的成本有著最直接的影響。這樣，在較高的二氧化碳含量下維持視在生成效率便成為了可能。然而，增大發生器，降低功率密度或減低實際流速雖維持了視在的效率，但同時投資費用增加了，或是產生率降低了。其結果是臭氧發生設備和再循環裝置的成本效益並沒有真正地得到全面提高。
因此，本發明的目的是，在紙漿脫色過程中，以利用臭氧發生器的全部產出能力的方式來使臭氧再循環裝置運行。在實踐中發現紙漿脫色過程中所實際產生的二氧化碳量比以前指出的要多。同時，二氧化碳對臭氧發生效率的影響也比已有技術所認為的要大。因此，本發明用於去除足量的二氧化碳和其它雜質，以防止它們在紙漿脫色過程中在臭氧再循環氣流中聚集起來。它的優點在於以一個較小的發生器便可保持比以前更高的臭氧發生效率，從而減少操作該裝置的所有費用。
根據本發明，該工藝過程一般包括以下幾個步驟為臭氧發生器提供含有氧氣的供給氣體。從含氧氣體中產生臭氧，以生成富含臭氧的氧氣，其中臭氧濃度最好達到約6(重)%。用富含臭氧的氣體使紙漿脫色，從而產生包括相當大量二氧化碳的雜質組成的廢氣。從廢氣中去除雜質以產生再循環氣體。再循環氣體被導入臭氧發生器，以至少提供一部分用於產生臭氧的含氧供給氣體。為使臭氧發生器達到或至少接近滿負荷運行，須從廢氣中去除足量的二氧化碳以產生再循環氣體。去除的量最好使二氧化碳在供給氣體中的濃度保持在6(重)%以下。
本發明的一個優選實施例中，二氧化碳是通過對部分廢氣進行提純來去除的。未提純部分則混入了新鮮的含氧氣體而形成為再循環氣體。這一混合氣便形成供給氣體，隨後引入臭氧發生器中。
在本發明的另一優選實施例中，去除二氧化碳的方法則是使廢氣通過一加壓搖擺吸收裝置。
本發明的一個更優選實施例則用鹼性物質逆流洗滌廢氣，從而去除二氧化碳。鹼性物質則可以從與紙漿和脫色過程關聯的渠道中便利地獲得，比如氧化性透明鹼液。
本發明的一個更優選實施例則是通過將至少一部分提純後的廢氣導入脫水壓榨機的罩中而利用這部分提純後的廢氣，該脫水壓榨機位於紙漿處理的氣流之中，在脫色反應器的上遊部分。它通過擠壓脫水來提高紙漿的濃度。當紙漿受到擠壓後再膨脹時，它通常要吸取四周以氮氣為主的空氣。這些氮氣將與紙漿一起被送入紙漿脫色反應器中，形成從反應器排出的廢氣的一部分。然而，通過導入至少部分富氧廢氣至脫水壓榨機中，四周的空氣得到了替換，氮氣便不能大量進入紙漿中了。
本發明還包括這樣一個裝置，它可以在提高紙漿濃度的同時減低紙漿中氮氣的濃度。該裝置包括以下兩個裝置，其功能分別為通過去除其中的液體來提高紙漿濃度;形成大體上圍繞並接觸提高了濃度的紙漿的富氧氣體敷蓋層。在紙漿中由於提高濃度的裝置的作用而產生的空隙便被富氧氣體注滿。用罩子來包圍紙漿濃度提高裝置便可以產生富氧氣體敷蓋層。該裝置還包括一可以將富氧氣體導入罩內的裝置，其中富氧氣體最好是從相關的臭氧再循環裝置中產生的廢氣的一部分，其中含有至少80%的氧氣。
紙漿濃度提高裝置至少有兩個壓紙漿的輥子。由於有這些輥子，紙漿便如上文所言膨脹起來，在紙漿粒子中形成空隙，該空隙隨即又被富氧氣體充滿。
通過下面詳盡描述的由附圖所示的實施例，本發明的特點和優點可以顯而易見。


圖1是概略地表示本發明的方法的流程圖。
圖2是描繪臭氧產生(生成效率)與供給氣體中二氧化碳含量之間的關係的曲線圖。其中臭氧產出單位為磅/千瓦小時，二氧化碳含量用(重)%表示。
圖3是本發明兩種不同的優選實施例的示意圖，它們基本上利用相同的設備。
圖4是本發明的一個更優選實施例的示意圖。
圖5是本發明的另一優選實施例的示意圖，其中提純過的廢氣被導入脫水壓榨機的罩中。
圖6是本發明改進後機罩的脫水壓榨機的部分剖開的透視圖。
圖7是圖6裝置沿7-7線的部視圖。
圖1中的流程圖展示了本發明的基本方法，純氧、氧氣與空氣的混合物或者提純後的空氣構成的補充氣體從氧氣-空氣入口10注入本裝置。它們與再循環氣流混合，形成臭氧發生器14的供給氣體12，從臭氧發生器14中出來的富臭氧氣體15與臭氧反應器18中的紙漿16混合，以進行脫色處理。脫色後的紙漿20和廢氣22從臭氧反應器18中排出，然後使廢氣22流過雜質去除步驟24。用依照本發明的一系列不同方法來去除雜質26。雜質26去除後，再循環氣體28在乾燥器30中得到乾燥。乾燥後的再循環氣體32隨後被引入臭氧發生器所用的供給氣體。
去除的各種雜質包括二氧化碳、一氧化碳、多種碳氫化合物和殘留的臭氧。如需要，其它雜質也可去除。特別是，如果氮隨紙漿或引入的氣體進來了，亦能得以去除。紙漿脫色處理本身並不產生氮這種副產物。依據本發明而進行的雜質去除的各具體步驟在下文有更詳盡的說明。
正如上文所述，在已有技術中，雜質僅看成一種衝淡劑。衝淡劑有置換供給氣體中的氧氣並由此減少其中存在的將轉變為臭氧的氧氣數量的簡單作用。但是，申請人卻證明二氧化碳是一種特別有害的雜質，也就是說，已發現，除去衝淡劑的作用外，輸入臭氧發生器內的供給氣體中的二氧化碳對臭氧的產生還有一種負效用。
二氧化碳的實際作用如圖2所示。如下文所述，它表明臭氧發生的能量產出與臭氧發生裝置的供給氣體中的二氧化碳含量之間的相互關係，曲線X表示已有技術所述的該系統中二氧化碳對能量產出的影響。顯然，所述的作用在有意義的範圍內是極小的。而且，關於流速與二氧化碳含量對效率的影響方面，已有技術對二者之間的相互作用並未加以評論。這是因為已有技術只把二氧化碳視為衝淡劑。事實上，有關臭氧發生器中各種氣體衝淡劑的影響方面的開拓人Cromwell和Manely)(在本發明的背景部分已提及)，把氬氣和二氧化碳在濃度達到約10%以內時的作用視為相等，認為這兩種氣體對能量產出影響甚微。
與已有技術所述的微小變化相反，曲線Y和Z表示申請人測定出的供給氣體中二氧化碳造成的臭氧能量產出的實際損失。曲線Y表示設計流速的二分之一，曲線Z則表示設計流速。已有技術所述的不準確性便立即顯而易見，因為當臭氧發生器中高壓放電時二氧化碳有意想不到的反應，因此一般認為與簡單的衝淡劑相比，在能量產出上二氧化碳的影響便存在著如此大的偏差。在這意想不到的反應中二氧化碳轉變成一氧化碳，並在該過程中耗用了否則應為臭氧發生而使用的能理。由於二氧化碳/一氧化碳反應是一可逆反應，這便導致了負作用的增加。因此，在一氧化碳重新轉化為二氧化碳時便有額外能量的損失，並且隨著該反應的循回往復而耗用更多的能量。
圖2所示本發明的各數據點是由一臺小型試驗性臭氧發生器提供的，該發生器設計完備，具體流速約為0.83磅/小時·英尺2，操作頻率約在600～800赫茲之間，操作電壓約10000伏。圖2中所表明的關係與發生器的大小無關，更大的發生器也適用這一關係。本試驗用發生器乃市場上可買到的ABB/OZOnia OF219L型發生器的按比例縮小型。但是，商業用發生器的具體流速約為0.93磅/小時·英尺2。兩種流速的差異是由按比例縮小生產規模造成的。
對本領域普通技術人員來說，顯然，發生器參數在本發明範圍內。可以根據本文所公開的已知關係而變化。特別是臭氧發生器的大小、功率密度及流速可以視所需裝置而調整。這裡所述參數決非用以限制本發明的適用範圍。
臭氧在上述條件下脫色紙漿，在脫色過程中每磅臭氧可以產生0.1～0.5磅二氧化碳，該參數通常在0.18～0.46磅範圍內，最標準的量約為0.23磅。其典型結果是每噸空氣乾燥(ADT)的紙漿脫色可以產生3.3磅二氧化碳。申請人測定，為獲得最佳脫色，在設計流速的條件下輸入紙漿脫色反應器的氣流中臭氧的濃度應不低於約6(重)%。在申請日期為1990年10月26日，申請號為07/604，849的美國專利中描述了一套合適的脫色方法和反應器，該專利特別寫在這裡以茲參考。
為達到這一臭氧濃度，供給氣體中二氧化碳的濃度不應超過6(重)%。二氧化碳濃度降至6(重)%以下對產出效率就沒有負效應了。然而，把濃度降到這一水平以下會造成收益的減少，並且會在事實上降低綜合成本效益，這是由於不必要地去除過量的二氧化碳而增加了費用。
由臭氧脫色紙漿而產生的二氧化碳量是相當可觀的，通常要比其它已有技術臭氧應用中所產生的二氧化碳量多許多，例如，據生產者說，上述的優選的臭氧發生器能夠以設計流速生成濃度為6(重)%的臭氧，條件是只要供給氣體中的氧氣純度保持在85(重)%(或更高)，在這裡忽略其餘15(重)%的補充氣體不計。然而，如果圖1所示的再循環裝置中包括以上這些發生器，並且根據已有技術提純部分廢氣法來去除雜質和加入氧氣補充氣體使供給氣體中氧氣總濃度保持在85(重)%，則供給氣體中的二氧化碳濃度便可能提高至約9.3(重)%。根據已有技術，在例Ⅰ中顯示的這一濃度是可以接受的。在這一二氧化碳濃度下，如果不有效地減低流速，上述臭氧發生器便不能產生濃度為6(重)%富含臭氧氣體。
有許多已知的方法可以用來提高從臭氧發生器出來的氣體中臭氧的濃度。在已有技術中最直接的辦法是提高臭氧發生器的輸入功率。但是，由於功率密度提高時會造成臭氧發生效率的減低，所以應找到用該方法臭氧濃度不能進一步提高時的功率密度值。功率增大的同時還帶來成本的增加。已有技術中的另一個辦法是增大發生器的尺寸，這樣，通過使發生器在較低功率密度下運行從而提高效率。已有技術的另一解決辦法是減低通過發在的流速，但是儘管濃度得以提高了，產生的總的臭氧量卻由於流速較低而減少了。
由於產出能力的下降，或是投資或是操作費用的增加，上述已有技術的每種技術方案都導致臭氧產出費用的增加。這些費用提高的原因便在於不能使發生器滿負荷運行。當臭氧發生器在給定發生器大小、功率密度和流速的條件下產生最大值的臭氧濃度時便達到了滿負荷運行。這樣，提高濃度的唯一途徑便是改變其中一個參數，並由此導致產出能力的減少或者操作或投資費用的增加。每一種變化的實際作用與當考慮到臭氧產生的總量而增大發生器尺寸所產生的作用是相同的。
因為由於以前二氧化碳的作用未被認識，全負荷運行未被利用，在這些情況下增大發生器尺寸的作用在於形成多餘的或超量的生產能力。採用本發明的指導，用來補償二氧化碳的效用而採用的超量生產能力便可被忽略。兩種可能的有利選擇所產生的結果是(1)可以減小發生器尺寸以使之滿負荷運行，由此減少裝置的投資費用;或(2)通過利用在已有技術條件下發生器浪費掉的負荷能力，來保留發生器的大小，以備進一步提高產出量。第二種選擇對已有裝置特別有用。通過本發明的指導，使用該已有裝置便可以提高產出量，而不用建立一套新的臭氧發生裝置。
圖3表示本發明一個優選實施例，在該實施例中，通過連續地提純部分廢氣便可以控制二氧化碳的含量。為方便參考，下文提及的實施例便稱為「提純本身」的實施例。圖3所示的裝置中，氧氣補充氣體40與乾燥後的再循環氣體86混合在一起形成供給氣體42。供給氣體42被引入臭氧發生器44中，此後，富臭氧的氧氣46通過臭氧反應器48，在反應器中對紙漿50進行脫色，脫色後的紙漿52從臭氧反應器48中排出，廢氣54被引入逆流洗滌器56中。
逆流洗滌器56使用水58作為清洗液，使廢氣中夾雜的紙漿纖維進入到溶液60中。本領域的技術人員會以這種方法操作逆流洗滌器。
從洗滌器56出來的廢氣用壓縮機加壓並將之導入熱分解設備68和催化分解設備72中以進行首次雜質去除。這些設備均可以在市場上買到並且為本領域的技術人員所熟知。熱分解設備68去除由脫色處理和殘餘的或未用過的臭氧產生出的一氧化碳。從反應器中出來的殘餘臭氧被認為是一種雜質，因為它不能被重新導回再循環氣流乾燥器84中，也不能被釋放入大氣中。催化分解設備72可去除碳氫化合物以及任何殘存的一氧化碳。
裝置中二氧化碳含量由在提純步驟76處提純部分廢氣來控制。被提純的部分形成提純氣體70。在提純步驟76之後，與廢氣74相比，再循環氣體78的總量便被減少了提純氣體70這麼多量。二氧化碳與其它雜質的重量百分比濃度便穩定在74與78之間。當補充氣體40與減少了的再循環氣體相混合時，供給氣體42中二氧化碳濃度便保持在所需的預定水平。
在提純步驟76之後，再循環氣體78便在冷卻裝置80中進行冷卻。然後將冷卻後的再循環氣體82引入裝有乾燥劑的乾燥器84中，該乾燥器用氧化矽膠與分子篩來去潮並且產生乾燥的再循環氣體86。冷卻裝置80與裝有乾燥劑的乾燥器84都同樣是可在市場上買到的設備，操作方法為本領域技術人員所公知。
現在描述本發明的另一優選實施例，該實施例實質上利用與圖3所示相同的設備。但是，該實施例中逆流洗滌器56使用一種鹼性洗滌物質56(而非僅使用水)來去除二氧化碳以及夾雜的紙漿纖維。優選的洗滌物質包括苛性鈉(NaOH)。熟石灰(Ca(OH)2)以及氧化性透明鹼液(OWL，其中每1立方英尺含NaOH約6.7磅。)其它鹼性混合物亦可適用於此。
使用上述可以產生3.3磅Co2/每噸空氣乾燥的紙漿的紙漿脫色反應器，要去除95%的Co2/每噸空氣乾燥的紙漿所須要的鹼性物的質量為苛性鈉-5.69磅熟石灰-5.27磅氧化性透明鹼液-6.35加侖在本實施例中(下文稱「鹼性洗滌」實施例)，為了控制總的氧氣純度而保留了提純裝置，這是由於存在與紙漿或廢氣一起導入的氮氣和/或隨廢氣導入的氬氣。氮氣和氬氣確實起衝淡劑的作用。這樣為保持氧氣純度就必須控制它們的濃度。所要求的提純度在下文的實施例中有更詳盡的描述。
鹼性洗滌實施例特別適於在紙漿脫色工藝中使用。因為在製漿與脫色裝置中存在著豐富的鹼性源。例如，從與製漿裝置有關聯的溶出鹼液回收工藝之中可以提供氧化性透明鹼液。苛性鈉的一個提供來源可以是紙漿脫色排出步驟(「E」)。一小部分可被輕易地轉入鹼性洗滌器以去除二氧化碳。
圖4表示根據本發明的一個可供選擇的更加優選的實施例。在該實施例中，原料氣體100被引入臭氧發生器44中，從而為在臭氧反應器48中脫色紙漿50提供了富臭氧氣體102。此外，脫色後的紙漿52從反應器48中排出，廢氣108被引入水洗滌器56，夾雜的紙漿纖維進入溶液60中，象圖3那樣，廢氣依舊通過壓縮機64，獲得的壓縮氣體再通過熱分解設備68。但是，在通過熱分解設備68後，廢氣被引入加壓搖擺吸收裝置(PSA)116之中，在這裡二氧化碳及其它雜質得以去除。
加壓搖擺吸收裝置取代了圖3中的催化分解設備。正如其它實施例中一樣，與在加壓搖擺吸收裝置中去除的雜質的種類及其含量有關，通過提純步驟76可排走不同量的提純氣體70，一定量的氧氣補充氣體40被注入進去以代替包含提純氣體的被去除的雜質。通常加壓搖擺吸收裝置的實施例的操作與鹼性洗滌的實施例相類似，因為通過與提純步驟76不同的方法，二氧化碳從裝置中去除了。
適用於加壓搖擺吸收裝置116的設備通常是可以從市場買到的。所選擇的吸附劑必須按這裡所說的標準去除二氧化碳。對於其它的雜質，本領域的普通技術人員可以選擇並組合各種吸附劑，以達到總的雜質去除所要求的標準，這取決於其它雜質存在的情況。通常如氧化矽膠，活性鋁土和沸石，或者它們的混合物作為吸附劑都是合適的。有關吸附劑材料的一個優選的組合是將用於去除二氧化碳和氮氣的5A分子篩與用於去除碳氫化合物的氧化矽膠相結合。
儘管二氧化碳含量被視作一個特別明顯的問題，其它雜質，特別是氮的衝淡作用也是不容忽視的。圖5所示的本發明的一個更優選的實施例是直接針對這一問題的。在這個實施例中，來自提純步驟76的提純氣體70被引入圍住脫水壓榨機132的外罩130中。提純氣體還可以被引入排料槽143中的紙漿流49中(見圖6)。壓榨機132在紙漿47進入反應器48之前實質上是通過在兩個滾子之間的縫隙之間壓擠紙漿以擠出水來，從而提高紙漿的濃度。因為紙漿纖維素是有彈性的，它們在脫離壓榨機滾隙時形成一個膨脹的紙漿層。此時，所有紙漿周圍的空氣都被吸入由於紙漿的海綿狀膨脹而形成的紙漿纖維的空隙中去了。通過向罩130引入提純氣體70，提純氣體便將紙漿包圍，取代了原來的空氣。因此，由於在離開壓榨機滾隙之後，紙漿顆粒膨脹起來，紙漿的空隙就被只含15%左右衝淡劑的提純氣體充滿。否則在紙漿周圍的空氣包含79%的衝淡劑，主要是氮。在離開充滿氣體的壓榨機罩130之後，紙漿49被導入一個合適的反應器的進料裝置，如螺旋輸送器134。紙漿50從輸送器134最終被送入反應器48。
通過將提純後的廢氣70再循環進入壓榨機罩130，離開臭氧反應器48的廢氣中的氧氣含量能比不把提純氣體輸入脫水壓榨機的罩內的氧氣含量高得多。因此，在很多條件下，將提純氣體引入脫水壓榨機可降低進入臭氧發生器的原料氣中的氧氣補充的需要，從而大量節省費用。通過這個辦法可以保持原料氣中氧氣的總的純度，與此同時，二氧化碳含量必定如前所述保持在低水平上。在某些情況下，不需要用掉脫水壓榨機中所有的提純氣體(見例ⅠⅤ)，因為大量的雜質，特別是二氧化碳，會隨著紙漿再次進入裝置。如果事實果真如此，就只需將一部分或不將提純氣體引入脫水壓榨機。出口133和控制閥135和137使經過嚴格控制的數量的提純氣體70進入脫水壓榨機，以使氧氣純度和二氧化碳含量達到均衡。
除了提純氣體以外，可使用任何富氧氣體(即，氣體內的氧含量至少為50%，最好為80%或更多)。如用氧氣濃度大於周圍空氣的載氧氣體代替周圍空氣，只要所選的氣流中不含大量的二氧化碳，就可以取得好的效益。
再看圖6和圖7，表示出本發明的一個設備的實施例，這一設備用從臭氧再循環裝置的提純步驟來的廢氣形成敷蓋層包圍在脫水壓榨機內的紙漿。在圖6和圖7中描述的應用於本發明的脫水壓榨機132，在本領域已是熟知的，因此在此不必詳述。這裡只需說明，紙漿50從至少一個紙漿入口138進入箱體136，繼而填滿位於機內的箱體136。在箱體136中的紙漿在壓榨機輥子140之間受壓脫水，以便從較低的濃度提高到高濃度。提高後的濃度為25%到50%，在40%到50%之間更好，最好是在42%左右。電動機142使壓榨機滾子140作同步的反向轉動。高濃度的紙漿49通過排料槽143從罩130流出，於是它被輸入上述的反應器供料裝置。槽143以某種方式封閉，以防止紙漿中的雜質進入大氣。
提純後的廢氣70從管144進入槽143，並相對紙漿49反向流動。廢氣70於是完全充滿了罩130內的空間，敷蓋著從輥子140間流出的紙漿。如上面所述，由於紙漿顆粒49在離開滾子140時膨脹起來，紙漿內的空隙被富氧廢氣所充滿，這種氧氣含量較高而衝淡氣體含量低的紙漿被最終導入臭氧反應器48，排氣管146排出廢氣以防止罩130內壓力過高並排掉討厭的蒸氣。一個裝在排氣管146內的排氣風扇(未示出)從罩130中排出蒸氣並將其導入脫色清洗裝置(未示出)以去除硫磺的氣味。以上所描述的這類罩可以用例如由玻璃纖維增強的塑料製成，這種塑料可以從瑞典的ABofSundsvall的SundsDefibrator或其它地方買到。儘管為方便起見，在附圖中只表示出了一個壓榨機，但如有必要，本發明的工作過程中可以使用不只一個脫水壓榨機。
實例通過參見以下非限定性的實例，可對本發明有進一步的理解。這些實例是建立在數據的基礎上的，而這些數據則是由依照本發明的臭氧發生和循環裝置的計算機模型得出的。這些實例用根據只用於說明本發明目的上述的優選實施例的臭氧發生裝置來說明本發明的去除雜質的原理。因此，在下面的實例中參見「臭氧發生器」就是指優選實施例的。按照本發明的指導，本領域的通技術人員能夠很容易地將以下實例中說明的原理推廣到其它臭氧發生裝置中去。
在下面的各例子中，作為模型建立的補充氣體含有大約99.5(重)%的氧，0.25(重)%的氮，和0.25(重)%的氬。輸入的補充氣體的數量以在298°K時每分鐘標準立方英尺(scfm)表示。每一個表格都表示氣體各成份的重量百分比濃度，只有甲烷＊是以百萬分率(ppm)表示的。表格中的氣流位置與圖3和圖5中相應的標號所標示出的位置對應。具體地說，42標示臭氧發生器的供氣;54即廢氣;74則是經過首次去除雜質的廢氣;而循環氣(淨化後的)則由78指示。所提供的提純是實際提純率，也即，它們指示在提純步驟76從裝置中實際去除的量。
例Ⅰ例Ⅰ說明了當依照已有技術的指導操作如圖3所示的一個循環裝置時所顯示出的雜質含量。正如前述，已有技術只將二氧化碳作為衝淡劑。因而，已有技術指出，只要使供給氣體中氧氣的含量保持在約85(重)%，臭氧發生裝置即可產生富含臭氧的氣體，其中臭氧含量在6(重)%。這個氧氣純度可通過在提純步驟76提純約12%的廢氣來達到。表格A給出了在這些條件下操作的裝置中不同指示位置的氧氣和雜質的含量。
表A氣流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54廢氣78.89.55.80.30.4910.25.174廢氣78.810.05.80.00.091.90.25.178循環氣79.610.15.90.00.091.90.24.242供給氣體85.09.35.40.00.091.90.20.0提純率12.0%輸入的補充氣體251.2標準英尺3/分在這些條件下，輸入臭氧發生器(在42)的供給氣體中的二氧化碳濃度平均可達到9.3(重)%。已有技術指出這個低於10%的量對臭氧發生無甚影響。然而，如前述及圖2中所示，二氧化碳的這個濃度確實會對臭氧發生的效率產生明顯的影響。儘管氧氣純度為85(重)%，但臭氧發生器已不能滿負荷運行且無法在上述條件下產出6(重)%的富含臭氧氣體。
例Ⅱ例Ⅱ說明了按本發明的指導來操作圖3的裝置中的提純本身的裝置。為了保持供給氣體中二氧化碳濃度在6(重)%左右，以使臭氧發生器滿負荷運行，提純率應穩定在18.5%左右。表B顯示了在這些條件下氧氣和雜質的含量表B氣流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54廢氣83.76.63.80.30.290.40.25.174廢氣83.97.03.80.00.090.90.25.178循環氣84.67.03.90.00.090.90.24.242供給氣體90.46.03.40.00.090.90.20.0提純率18.5%輸入的補充氣體378.4標準英尺3/分在比較了表A和B之後，可以充分認識到二氧化碳的重要作用。在表A中，儘管氧氣純度象已有技術要求的那樣保持在85(重)%，但二氧化碳濃度上升到19.3(重)%而臭氧發生器無法滿負荷運行。相比之下，依照本發明控制操作過程以使二氧化碳濃度保持在約6(重)%，氧氣純度便升至90(重)%。這個純度比所需要的為高，但這是二氧化碳濃度被控制在6(重)%低水平上的結果。在這些條件下，可以使用含氧量低的更便宜的補充氣體以節省費用。
例Ⅲ例Ⅲ說明了通過將補充氣體引入圖5的脫水壓榨機而降低對補充氣體的需要帶來的收益。然而，在本例中，提純率仍然是依照已有技術的方法來加以控制的，即，只考慮把氧氣純度維持在85(重)%。只要提純率有8.3%即可得到這一純度。表C顯示了在這些條件下操作裝置氧氣和雜質的含量表C氣流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54廢氣79.614.10.30.30.693.10.35.074廢氣79.515.00.30.00.093.90.35.078循環氣80.315.10.30.00.093.90.34.142供給氣體85.014.40.30.00.093.90.30.0提純率8.3%;經脫水壓榨機輸入補充氣體174.7標準英尺3/分對補充氣體的數量需要明顯地降低了。與例Ⅰ相比，儘管也是按照已有技術將氧氣純度維持在85(重)%，補充氣體卻由251.2標準英尺3/分降至174.7標準英尺3/分，對於要求產出的臭氧的重量百分比比較低(即1-3%左右)的應用場合，則可節省大量補充氣體。儘管如此，在設計流速下，上述的優選的臭氧發生器仍無法產出6(重)%的臭氧，因為，由於僅注重了氧氣的純度，二氧化碳的濃度則已升到約14.4(重)%。
例Ⅳ例Ⅳ說明了依照本發明在如圖5所示的將提純的氣體充滿脫水壓榨機罩內情況下，提純本身的裝置的操作表D顯示了設備中氧氣和雜質的含量表D氣體位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O
54廢氣87.36.60.20.30.390.90.25.174廢氣87.47.00.20.00.090.90.25.178循環氣88.27.10.20.00.090.90.24.242供給氣體93.56.00.30.00.090.80.20.0提純率19.2%;經注入脫水壓榨機輸入補充氣體402.8標準英尺3/分在提純本身的裝置中，廢氣中的二氧化碳濃度平均達到7(重)%左右。這個比較高的二氧化碳含量在提純氣體中仍顯示出來。當提純氣體隨同紙漿被脫水壓榨機再次引入裝置時，相當數量的二氧化碳便進入到循環氣流中去。因此，儘管通過脫水壓榨機引入提純氣體能把氮基本上從裝置中去除掉，仍需有一個稍高的提純率19.2%(相對於例Ⅱ中的18.5%)，隨紙漿再次進入裝置補償二氧化碳。在這個較高的提純率下，供給氣體中二氧化碳的含量保持在6(重)%，因此臭氧發生裝置可以滿負荷運行。
例Ⅴ例Ⅴ說明了依照本發明圖3中的鹼性洗滌裝置的操作。在本例中，我們假設鹼性洗滌裝置的效率為90%。也就是說，它將進入洗滌器的二氧化碳的90%除掉了。在這種情況下，大量的二氧化碳被除掉了，因此它的濃度已不再成為決定提純率的因素了。而只須要約4.8%的提純率就可保持供給氣體中所必須的氧氣純度。表E顯示出了氧氣和雜質的含量表E氣流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54廢氣79.50.214.50.30.188.50.35.3
74廢氣79.70.314.50.00.088.90.35.378循環氣80.40.314.60.00.088.90.34.442供給氣體85.00.314.40.00.088.90.30.0提純率4.8%;90%鹼性洗滌輸入的補充氣體121.9標準英尺3/分本例中，作為一種衝淡劑隨紙漿進入的氮應是必須洗滌掉的首要的雜質。低提純率實現必要的氮去除。
例ⅤⅠ例ⅤⅠ說明書了具有按照本發明圖5所示的脫水壓榨機的罩的鹼性洗滌裝置的操作。如在例5中所述，假設清洗率為90%。由於用脫水壓榨機罩內的氧置換了氮，在裝置中氮的總量已明顯地下降了。只用約1.5%的實際提純率就可得到97.4(重)%的氧純度。表F顯示出了氧和雜質的含量表F氣流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54廢氣92.10.21.10.30.190.51.15.174廢氣92.40.31.10.00.090.91.15.278循環氣93.20.31.10.00.090.91.14.342供給氣體97.40.31.10.00.091.01.10.0提純率1.5%;將提純氣體引入脫水壓榨機鹼性洗滌效率在90%輸入的補充氣體53.1標準英尺3/分由於加入的補充氣體的數量減少了，這直接導致提純率降低，因而，可以明顯地節省費用。與例Ⅴ中所需的121.9標準英尺3/分的補充氣體相比，本例中只需53標準英尺3/分的補充氣體。
例Ⅶ例Ⅶ則是說明按照本發明不將提純氣體注入脫水壓榨機的罩內的鹼性洗滌裝置的操作。洗滌效率也假定為90%。然而，為與例Ⅵ進行對比，須確定一個提純率以保證氧在供給氣體中的純度為97.4(重)%。為了得到與例Ⅵ中相同的氧純度，而又不向脫水壓榨機的罩中引入提純氣體，提純率需為27.8%左右。在這個提純率下，輸入的補充氣體為604.8標準英尺3/分-為例Ⅵ中的十多倍。表G顯示了裝置中氧和雜質的含量表G氣流位置 O2Co2N2O3Co CH4* Ar H2O54廢氣91.40.22.70.30.190.00.25.274廢氣91.60.32.70.00.090.00.25.278循環氣92.50.32.70.00.090.00.24.342供給氣體97.40.32.70.00.090.70.20.0提純率27.8%;鹼性洗滌率90%;
輸入的補充氣體604.8標準英尺3/分通過對比例Ⅵ和Ⅶ，可以看出將提純氣體引入脫水壓榨機的罩中的優點。
以上對所包含的這些優選的實施例的詳細說明絕不限制本發明的保護範圍。通過以上對二氧化碳的作用的舉例加說明，本領域的技術人員就可以在此基礎上選擇雜質去除參數和加入的補充氣體的正確組合，以在具體的臭氧發生裝置的操作中提高其使用效率並增加費用上的節約。以上所描述的各優選的實施例並不互相牴觸。例如，本發明中的加壓搖擺吸收裝置可以用來清除提純裝置的提純了的循環氣體中的雜質。而後經加壓搖擺吸收裝置清洗過的提純氣可以直接注入脫水壓榨機罩或臭氧發生器。顯然，對本領域的普通技術人員而言，只要不脫離本發明的宗旨和範圍，對以上所描述的各種結構的各種不同的改動和組合都是可能的，本發明的保護範圍將在下面的權利要求書中加以限定。
權利要求
1.一種改善臭氧紙漿脫色工藝中的臭氧氣體再循環氣流的方法，包括向臭氧發生器提供一種含氧供給氣體；用所說的供給氣體產生臭氧，從而生成一種富含臭氧的氧氣體；用所說富含臭氧氧氣來給紙漿脫色，從而產生一種包含二氧化碳等雜質的廢氣；去除至少一部分所說雜質以產生再循環氣體；將所說再循環氣體引入臭氧發生器，從而提供至少一部分所說含氧的供給氣體；和在所說去除雜質步驟中去除二氧化碳，去除的量足以使臭氧發生器滿負荷或接近滿負荷運行。
2.如權利要求1所述的方法，還包括控制所說的雜質去除的步驟，以維持含氧供給氣體的氧氣含量為一預定值。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於從廢氣中去除的二氧化碳的量使供給氣體中的二氧化碳濃度保持在約6(重)%或更少。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所說的紙漿脫色步驟中，每消耗一磅臭氧就產生0.1到0.5磅二氧化碳。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，去除的二氧化碳的量不大於使臭氧發生器滿負荷或接近滿負荷運行所需要的量。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所說去除雜質的步驟包括提純一部分廢氣;用未提純過的那部分廢氣形成再循環氣體;將所說的再循環氣體與含氧氣的新鮮空氣混合來形成供給氣體，保持該供給氣體中二氧化碳含量低到使臭氧發生器可以接近滿負荷運行。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，被提純的廢氣至少佔廢氣的18%。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所說的去除雜質步驟還包括用一種鹼性材料去除所說廢氣中的二氧化碳。
9.如權利要求8所述的方法，還包括從一種木材搗漿裝置鹼液回收設備來獲取鹼性材料。
10.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所說的鹼性材料是苛性鈉、熟石灰、氧化性透明鹼液或它們的混合物。
11.如權利要求10所述的方法，還包括從一個連帶的紙漿脫色工藝的提取步驟的氫氧化鈉源提供苛性鈉。
12.如權利要求8所述的方法，還包括在所說洗滌之後進一步提純所說廢氣的5%;及以一種恆定的紙洗速向臭氧發生器供給一定量的含氧氣的新鮮空氣，供給的量基本上等於所說被提純的廢氣量和通過洗滌去除的二氧化碳量。
13.如權利要求6所述的方法，還包括在所說的脫色之前提高紙漿濃度;在所說紙漿濃度提高步驟的至少一部分過程中，至少將一部分提純過的廢氣引到紙漿周圍，用所說的廢氣置換紙漿周圍的空氣;用所說廢氣填充所說的紙漿顆粒之間的空隙;以及將所說的提高了濃度的用廢氣填充了空隙的紙漿引至紙漿脫色步驟。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於高達20%的廢氣被提純，並被引至紙漿濃度提高步驟，並且，所說廢氣中的氧濃度大於80(重)%。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所說的去除雜質步驟包括使廢氣流經一種能吸附二氧化碳的吸附劑。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於吸附劑是沸石，氧化矽膠或活性鋁土，或它們的組合物。
17.如權利要求15所述的方法，還包括將吸附劑盛在一個壓力搖擺式吸附裝置中。
18.如權利要求15所述的方法，其特徵在於所說的去除雜質的步驟還包括提純一部分廢氣;用未提純的所說的廢氣部分形成再循環氣體;將所說再循環氣體與含氧氣的新鮮空氣混合來形成供給氣體;以及保持供給氣體中二氧化碳濃度低至使臭氧發生器接近滿負荷運行的程度。
19.一種改善臭氧紙漿脫色工藝中的臭氧氣體再循環氣流的方法，包括向臭氧發生器提供含氧的供給氣體;用所說含氧的氣體產生臭氧，以產生一種富含臭氧的氧氣，其臭氧濃度約為6(重)%;用所說富含臭氧的氧氣給紙漿脫色，從而產生包含二氧化碳等雜質的廢氣;去除廢氣中的雜質以產生再循環氣體;將所說再循環氣體引入臭氧發生器，從而提供至少一部分供給氣體;以及在所說去除雜質步驟中去除廢氣中的二氧化碳，去除量足以將輸入氣體中二氧碳濃度保持在6(重)%左右或以下。
20.如權利要求19所述的方法，還包括控制整個雜質去除過程，使供給氣體的含氧濃度在85(重)%左右或以上。
21.一種在紙漿臭氧脫色處理之前減少紙漿中雜質的方法，包括在一個紙漿濃度提高步驟壓榨紙漿，通過去掉其中的水分而提高濃度;在紙漿濃度提高步驟中使紙漿膨脹而在紙漿中造成許多空隙;在所說提高了濃度的紙漿外圍形成一個富含氧氣的敷蓋層，其含氧濃度至少在50%左右，因而這些氣體基本上接觸到全部壓榨後的紙漿;用所說的這種氣體填充到所說提高了濃度的紙漿的空隙中;將所說提高了濃度的紙漿輸送到一個臭氧-紙漿反應區，以使其與臭氧和氧氣的混合氣起反應，在此區域，由於紙漿空隙中充滿了這種富含氧氣體而減少了所說提高了濃度的紙漿中的雜質含量。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於所說的富含氧氣體的含氧量至少為80(重)%。
23.如權利要求21所述的方法，還包括在所說臭氧-紙漿反應區使提高了濃度的紙漿與所說氣體混合物接觸，通過與所說的臭氧反應來去除其中相當大部分的木質而使紙漿脫色，與此同時，由於與紙漿反應而消耗掉相當大部分臭氧，從而，產生出一種脫色紙漿和一種富含氧的廢氣;以及至少將一部分這種富含氧廢氣引至濃度提高步驟，以形成包圍紙漿的富氧氣體。
24.一種在紙漿臭氧脫色工序之前減少紙漿中雜質的方法，包括在一個紙漿濃度提高步驟壓榨紙漿，通過去掉其中的水分而提高紙漿的濃度;將這些提高了濃度的紙漿和一種由臭氧和氧氣組成的混合氣體輸送到一個臭氧-紙漿反應區;在所說臭氧-紙漿反應區使提高了濃度的紙漿與所說混合氣體接觸，通過與所說的臭氧反應來去除其中相當大部分的木質而使紙漿脫色，與此同時，由於與紙漿反應而消耗掉相當大部分臭氧，從而產生出一種脫色紙漿和一種富含氧的廢氣;以及提純一部分所說富含氧的廢氣，其量為20%的體積，將這部分提純過的廢氣引至紙漿濃度提高步驟，並使其形成一個包圍提高了濃度的紙漿的敷蓋層，這樣，這些提純後的廢氣基本上接觸到壓榨後的全部紙漿而填充到提高了濃度的紙漿的空隙中。
25.一種降低紙漿中氮氣濃度同時提高紙漿濃度的裝置;包括通過除去紙漿中的水分來提高紙漿濃度的裝置;當紙漿濃度增加時提供大體上包圍和接觸所說提高了濃度的紙漿的富氧氣體敷蓋層的裝置;使富氧氣體充入紙漿的空隙中。
26.如權利要求25所述的裝置，其特徵在於富含氧的氣體提供裝置包括將紙漿濃度提高裝置封閉起來的罩子，以及將至少含約80%氧氣的一種富氧氣體引入該罩子的裝置。
27.如權利要求25所述的裝置，其特徵在於所說紙漿濃度提高裝置包括至少有兩個壓輥的壓榨紙漿的裝置，當紙漿從輥中出來時其顆粒膨脹，從而使這些顆粒中的空隙中基本上充進所說富氧氣體。
28.如權利要求25所述的裝置，還包括連續不斷地去除包圍紙漿的氣體的一部分以防止由所說的紙漿產生的蒸氣積累的裝置。
29.如權利要求28所述的裝置，其特徵在於所說的去除包圍並接觸紙漿的氣體敷蓋層的一部分的裝置包括有排出氣體的裝置和一個與此出口裝置相配合的，加速這部分氣體排出的排氣扇。
30.一種降低紙漿中氮氣濃度同時提高紙漿濃度的裝置，包括至少兩個用來使通過其間的紙漿去除液體而使紙漿濃度得到提高的輥子;當紙漿濃度提高時使富含氧的氣體基本上包圍並接觸紙漿，從而使富含氧的氣體充入紙漿空隙中的罩子裝置;一個臭氧紙漿脫色和再循環裝置，它包括一個給一個紙漿脫色反應器提供一種含氧/臭氧氣體的臭氧發生器，所說反應器接納提高了濃度的紙漿和含臭氧/氧的氣體，以生產脫色的紙漿和富含氧的廢氣，和一個用於將一部分所說的富氧廢氣引入所說的罩子裝置的提純裝置。
31.如權利要求30所述的裝置，還包括與所說罩子相連通的出氣裝置，用來防止由於所說的紙漿通過所說輥子之間時在所說罩子中所產生的蒸氣積累。
32.如權利要求30所述的裝置，其特徵在於所說的至少兩個輥子具有壓榨脫水部分。
全文摘要
一種在臭氧紙漿脫色工藝中改善臭氧氣體再循環氣流的方法，其特徵在於，再循環氣流中的二氧化碳含量得到控制，從而使臭氧發生器能滿負荷運轉。控制二氧化碳濃度的具體方法，包括提純一部分再循環氣流，用一種鹼性溶液對再循環氣流進行逆流洗滌，再循環氣流流經一種吸附材料。通過將比較富氧的提純過的再循環氣流導入可使紙漿濃度提高的脫水壓榨機，可以減少進入該裝置的雜質。採用這種方法，包圍紙漿的氮氣被氧氣置換，因此不與紙漿一起進入脫色/臭氧裝置。
文檔編號D21C9/18GK1072469SQ92105010
公開日1993年5月26日 申請日期1992年5月23日 優先權日1991年8月1日
發明者J·約瑟夫, M·A·皮庫林, W·H·弗蘭德 申請人:友聯坎普專利控股有限公司