ENERGOOSZCZÊDNY UK AD MASZYN I URZ DZEÑ W WYTWÓRNI MASY CELULOZOWEJ SIARCZANOWEJ NIEBIELONEJ

AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA IM. JANA I JÊDRZEJA ŒNIADECKICH W BYDGOSZCZY ROZPRAWY NR 22 Marian Szyañski ENERGOOSZCZÊDNY UK AD MASZYN I URZ DZEÑ W WYTWÓRNI MASY CELULOZOWEJ SIARCZANOWEJ NIEBIELONEJ BYDGOSZCZ 2006

REDAKTOR NACZELNY prof. dr hab. Lucyna Drozdoska REDAKTOR DZIA OWY dr hab. in. Jerzy Noachoicz, prof. ATR OPINIODAWCY prof. dr hab. in. Franciszek Sieieniako dr hab. in. Tadeusz Zieliñski, prof. P OPRACOWANIE REDAKCYJNE I TECHNICZNE gr Dorota Œlachciak, Ea Olaiñska Copyright Wydanicta Uczelniane Akadeii Techniczno-Rolniczej Bydgoszcz 2006 ISSN 0209-0597 Wydanicta Uczelniane Akadeii Techniczno-Rolniczej ul. Ks. A. Kordeckiego 20, 85-225 Bydgoszcz, tel. (052) 3749482, 3749426 e-ail: ydaucz@atr.bydgoszcz.pl http://.atr.bydgoszcz.pl/~yd Wyd. I. Nak³ad 50 egz. Ark. aut. 5,0. Ark. druk. 7,0. Zaóienie nr 8/2006 Oddano do druku i druk ukoñczono aju 2006 r. Uczelniany Zak³ad Ma³ej Poligrafii ATR Bydgoszcz, ul. Ks. A. Kordeckiego 20

3 Spis treści WYKAZ OZNACZEŃ WYSTĘPUJĄCYCH W PRACY... 5. WPROWADZENIE... 7.. Proces siarczanoego roztarzania drena... 7.2. Metody siarczanoego roztarzania drena... 8.3. Probley ekonoiczne i ekologiczne procesie siarczanoego roztarzania drena... 9.4. Ekologiczność procesu technologicznego przepisach pranych....5. Metoda analizy zużycia energii i ochrony środoiska procesie siarczanoego roztarzania drena...2 2. CEL I ZAKRES PRACY...5 3. ANALIZA OBIEGU MASY I ENERGII W CELULOZOWNIACH SIARCZANOWYCH...6 3.. Obieg asy i energii celulozoni siarczanoej konencjonalnej...6 3... Inkrustacja poierzchni yiany ciepła...24 3..2. Ciepło odproadzane procesie roztarzania...30 3.2. Bilans cieplny celulozoni siarczanoej pracującej etodą yporoej yiany ługu...34 3.2.. Metoda RDH (Rader Displaceent Heating)...34 3.2.2. Metoda Sunds Celleco...39 3.3. Instalacje do ciągłego roztarzania drena...39 3.4. Instalacje do rekuperacji ciepła...46 3.5. Analiza utylizacji odpadó technologicznych siarczanoej ytórni asy celulozoej...5 3.5.. Ocena potencjału energetycznego odpadó...5 3.5.2. Badania zgazoyania kory...57 4. BADANIA PRZEPŁYWU CIEPŁA W CELULOZOWNIACH SIARCZANOWYCH...6 4.. Model celulozoni...6 4.2. Badania paraetró pracy celulozoni...89 4.2.. Metodyka badań...89

4 4.3. Analiza bilansó cieplnych celulozoni... 92 4.3.. Bilans cieplny ytórni asy celulozoej z instalacją konencjonalną... 93 4.3.2. Bilans cieplny ytórni asy celulozoej z instalacją RDH... 94 4.3.3. Bilans cieplny ytórni asy celulozoej z instalacją do ciągłego roztarzania... 96 4.4. Analiza zapotrzeboania ciepła i pary odnej do ytarzania asy celulozoej siarczanoej SaNbT... 97 5. WARZELNIA KONWENCJONALNA Z ENERGOOSZCZĘDNYM I EKOLOGICZNYM UKŁADEM URZĄDZEŃ DO REKUPERACJI CIEPŁA...00 6. PODSUMOWANIE...03 7. WNIOSKI...04 LITERATURA...05 STRESZCZENIA...09

5 WYKAZ OZNACZEŃ WYSTĘPUJĄCYCH W PRACY a jednostkoe zapotrzeboanie pary odnej do ubijania zrębkó 3 kg, a 2 spółczynnik przeliczenioy strat cieplnych ziązanych z odgazo- anie terpentynoy kj kg suchego drena, c d ciepło łaście drena kj kg K, c τ ciepło łaście ługu białego kj kg K, c τ c ciepło łaście ługu czarnego kj kg K, c ciepło łaście asy celulozoej c ciepło łaście ody kj kg K, kj kg K, c z ciepło łaście zrębkó kj kg K, d enętrzna średnica rur podgrzeacza, d zenętrzna średnica rur podgrzeacza, i i 2 z entalpia łaścia skroplin dopłyających do zbiornika kondensatu pary grzejnej kj kg, entalpia łaścia skroplin zbiorniku kondensatu i 0 n entalpia łaścia pary odnej do ubijania zrębkó kj kg, kj kg, i s entalpia łaścia skroplin pary odnej do ubijania zrębkó kj kg, i 0" entalpia łaścia oparó (suchej pary nasyconej) kj kg, k l spółczynnik przenikania ciepła dla rur podgrzeacza kw K, bs asa brudnego kondensatu siarczanoego kg/turnus, c asa cieczy arzelnej arniku na początku roztarzania kg/turnus, c asa cieczy arzelnej arniku po odgazoaniu terpentynoy kg/turnus, asa drena suchego arniku kg/turnus, d g asa oparó odproadzanych z arnika przy odgazoaniu terpentynoy kg/turnus,

6 gk asa oparó odproadzanych z arnika przy odgazoaniu końcoy kg/turnus, asa ługu białego arniku kg / turnus, τ τ c asa ługu czarnego arniku kg/turnus, 0 asa oparó postających przy yduchu arnika kg/turnus, zapotrzeboanie na parę odną do ubijania zrębkó kg/turnus, pu asa ody zrębkach kg/turnus, z asa zrębkó arniku kg/turnus, & l struień asy suchego drena kg h, 3 n 3 odniesiony do arunkó noralnych fizycznych, n oduł cieczy arzelnej, Q ciepło potrzebne do podgrzeania sadu arnika kj/turnus, Q c ciepło potrzebne do podgrzeania arnika kj/turnus, Q ciepło potrzebne do podgrzeania suchego drena kj/turnus, d Q d ciepło potrzebne do podgrzeania ody zaartej drenie kj/turnus, Q τ ciepło potrzebne do podgrzeania ługu białego kj/turnus, Q τ ciepło potrzebne do podgrzeania ługu czarnego kj/turnus, c Q u ciepło potrzebne do podgrzeania skroplin pary do ubijania zrębkó kj/turnus, t teperatura końcoa roztarzania ºC. k

7. WPROWADZENIE.. Proces siarczanoego roztarzania drena Roztarzanie drena ykonuje się po uprzedni jego rozdrobnieniu na zrębki celu ziększenia poierzchni reakcji i ułatienia ipregnacji drena cieczą arzelną (ługie arzelny). Cheiczna obróbka drena roztarzanie ająca na celu uzyskanie z niego asy celulozoej polega na usunięciu z drena ligniny stanoiącej czynnik iążący łókna asy celulozoej. Procesy roztarzania drena ze zględu na artość ph stosoanych cieczy arzelnych (czynnika roztarzającego) dzieli się na: kaśne, alkaliczne lub obojętne. Zaznaczyć należy, że artość ph cieczy arzelnej zienia się trakcie roztarzania. Nazy procesó technologicznych roztarzania drena utorzono zależności od rodzaju cheikalió stosoanych do cheicznego iązania i usuania ligniny. Proces siarczanoy roztarzania drena przeproadzany jest odny roztorze soli sodoych odorotlenku sodu NaOH i ielosiarczkó sodu Na 2 S n. Roztór ten nazyany jest ługie biały. Do uzupełniania strat cheikalió spoodoanych przebiegie reakcji cheicznych przy roztarzaniu drena stosuje się siarczan sodoy Na 2 SO 4, od którego proces ten otrzyał nazę siarczanoego roztarzania. Ma on odczyn alkaliczny. Roztarzanie przeproadzane jest arnikach o pojeności do 400 3 teperaturze 70 78 C przy ciśnieniu 0,9 MPa. Ponieaż yniku ydzielania się gazó czasie roztarzania zrasta ciśnienie arniku do artości iększych niż odpoiadające założonej teperaturze, stąd dla obniżenia go do przyjętych prograie roztarzania artości przeproadza się operację odproadzania gazó i oparó odgazoanie początkoe (terpentynoe). Ciśnienie arniku po zakończeniu roztarzania obniżane jest do 0,5 MPa yniku odgazoania końcoego. Opróżnienie arnika do zbiornika yduchoego (yduch) odbya się rezultacie rozprężenia jego zaartości do ciśnienia panującego zbiorniku yduchoy, rónego przybliżeniu ciśnieniu atosferyczneu. Podgrzeanie zaartości arnika odbya się sposób pośredni, za poocą pary odnej doproadzanej do podgrzeacza. Para odna skraplając się przestrzeni paroej oddaje ciepło cieczy arzelnej pobieranej z arnika przez popę cyrkulacyjną, która tłoczy ją przez podgrzeacz z porote do arnika. Zaiesina asy celulozoej cieczy poarzelnej (ługu czarny) zagazynoana zbiorniku yduchoy poddaana jest yciu. Operacja ta po-

8 lega na oddzieleniu ługu czarnego od asy celulozoej. Przeproadzana jest filtrach lub prasach yjących. W przypadku ytarzania asy celulozoej bielonej kolejną operacją procesu technologicznego jest bielenie asy. Przy ytarzaniu asy celulozoej niebielonej po yciu jest ona odadniana, a następnie suszona aszynie celulozoej do suchości 90%. Ciepło odproadzane czasie procesu technologicznego raz z oparai odgazoania terpentynoego, oparai odgazoania końcoego, oparai ze zbiornika yduchoego oraz ze skroplinai pary grzejnej z podgrzeacza poddaane jest rekuperacji. Ciepło odzyskane stosoane jest do podgrzeania ody technologicznej użyanej do ycia asy celulozoej. Przygotoanie ługu arzelnego połączone jest z regeneracją cheikalió zaartych ługu poarzelny. Ług poarzelny oddzielony od asy celulozoej yniku ycia i zaierający rozpuszczone ni organiczne składniki drena, po zagęszczeniu yparkach zostaje spalony kotle sodoy. Ciepło uzyskane ze spalania zostaje ykorzystane do ytarzania pary odnej o ciśnieniu 0 MPa. Do koory paleniskoej kotła sodoego dodaany jest siarczan sodu celu uzupełnienia strat cheikalió. Stopione palenisku kotła składniki nieorganiczne torzą stop, który po rozpuszczeniu odzie torzy ług zielony. Podstaoyi składnikai ługu zielonego są siarczki sodu oraz ęglan sodu Na 2 CO 3. Ług zielony poddaany jest kaustyzacji celu ytorzenia z ęglanu sodoego odorotlenku sodu NaOH. Kaustyzacja przeproadzana jest yniku oddziałyania odorotlenku apnia na zaarty ługu zielony ęglan sodu: Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 2NaOH + CaCO 3 Ług po kaustyzacji nazyany jest ługie biały. Nierozpuszczalny odzie ęglan apnia CaCO 3 torzy osad nazyany szlae pokaustyzacyjny. Szla pokaustyzacyjny po zagęszczeniu filtrach poddaany jest regeneracji dla uzyskania z niego tlenku apnia CaO. Regeneracja polega na ypalaniu ęglanu apnia piecach obrotoych lub fluidyzacyjnych teperaturze przeyższającej 825 C, będącej teperaturą rozkładu ęglanu apnia. Reakcja rozpadu jest endotericzna i przebiega zgodnie z rónanie: CaCO 3 CaO + CO 2.2. Metody siarczanoego roztarzania drena Metody roztarzania z zastosoanie procesu siarczanoego ożna podzielić ogólnie na: o działaniu okresoy o działaniu ciągły. Metody o działaniu okresoy polegają na przeproadzaniu roztarzania drena yniku turnusó obejujących:

zasyp zrębkó drena do arnika połączony z ich ubijanie dla ziększenia ykorzystania pojeności arnika, doproadzenie do arnika cieczy arzelnej będącej ieszaniną ługu białego i czarnego, podgrzeanie sadu do teperatury roztarzania i łaście roztarzanie tej teperaturze, przeproadzenie odgazoania arnika, opróżnianie arnika (yduch asy). Do etod o działaniu okresoy zalicza się: etodę konencjonalną, etody z ypieranie i cyrkulacją gorącego ługu czarnego, do których należą: etoda RDH i Sunds Celleco. Stosując etodę konencjonalną opróżnianie arnika przeproadzane jest yniku rozprężania jego zaartości. Metody z ypieranie ługu gorącego polegają na ytłaczaniu po zakończeniu roztarzania gorącego ługu popłuczynai z ycia asy, a opróżnianie arnika i transport asy do zbiornika yduchoego przeproadzane są za poocą sprężonego poietrza. Metody o działaniu ciągły polegają na połączeniu roztarzania z przepłye asy złożonej ze zrębkó i ługu zdłuż arnika. Doproadzenie zrębkó i ługu oraz odproadzenie asy celulozoej i ługu poarzelnego przeproadzane jest przez dozoniki..3. Probley ekonoiczne i ekologiczne procesie siarczanoego roztarzania drena Probley oszczędności energii i ochrony środoiska arunkują każdy proces technologiczny. Szczególnie duże znaczenie ają one procesie ytarzania asy celulozoej z drena etodą siarczanoą, gdzie kolejne operacje zaróno echaniczne, jak i cheiczne poodują duże zużycie energii i poodują postaanie odpadó technologicznych szkodliych dla środoiska. Piersze operacje procesu koroanie i rozdrabnianie drena przeproadzane są przy doproadzaniu energii echanicznej. Bardzo energochłonna jest druga z nich, polegająca na cięciu drena na zrębki. Dzięki proadzeniu rębakó o profiloanych, helikoidalnych poierzchniach tarcz zoptyalizoano jej przebieg i zniejszono zużycie energii. W pozostałych operacjach procesu ytarzania asy celulozoej z drena etodą siarczanoą energia doproadzana jest głónie za poocą ciepła. Przepły asy i ciepła instalacjach ytarzających asę celulozoą siarczanoą decyduje o zużyciu energii ty procesie. W długi, datujący się od lat siededziesiątych dzieiętnastego ieku, okresie stosoania skali przeysłoej procesu siarczanoego roztarzania drena, podlegał on liczny odernizacjo ający na celu zaróno popraę łaściości i ydajności ytarzanej asy celulozoej, jak i obniżenie 9

0 kosztó produkcji. Wproadzona do niego regeneracja cheikalió połączona ze spalanie organicznych składnikó ługu czarnego uożliiła potórne ykorzystanie procesie technologiczny asy odzyskianej postaci cheikalió i energii cieplnej uzyskianej ze spalania. Dalsze uspranienia i odyfikacje procesu siarczanoego pozoliły na zaknięcie znaczny stopniu obiegu asy i ciepła. Rozój przeysłu XIX i XX ieku spraił, że pojaiły się dodatkoe uarunkoania yuszające proadzenie do procesó technologicznych recyklingu asy i energii. Uarunkoaniai tyi, poza nadal istotnyi zględai ydajności i łaściości ytarzanej asy, stały się zględy ekologiczne, które coraz iększy stopniu zaczęły płyać na proces technologiczny ytarzania asy celulozoej. Metoda siarczanoa z zastosoanie regeneracji cheikalió odpoiadała kryteriu technologii końca rury. Kryteriu to za podstaę oceny ekologiczności procesu technologicznego przyjoało określenie stopnia szkodliości dla środoiska odproadzanych ściekó i zanieczyszczeń poietrza. Ścieki odproadzane yniku siarczanoego roztarzania drena zaierają oprócz rozpuszczonych odzie cheikalió rónież łókna asy celulozoej. Trafiają one do rzek lub jezior. Włókna nich zaarte ulegają proceso gnilny pobierając tlen rozpuszczony odzie i degradując środoisko odne. Zgodnie z etodą technologii końca rury ścieki ypłyające z przeodu odproadzającego, którego ylot stanoi koniec rury, inny być oczyszczone ze składnikó szkodliych dla środoiska. Stopień zanieczyszczenia ściekó odproadzanych bezpośrednio do ich odbiornika jest podstaą oceny ekologiczności procesu technologicznego. Kryteriu to uzględnia przede szystki usuanie skutkó, a nie przyczyn zanieczyszczeń środoiska. Wproadzane od drugiej połoy XX ieku przepisy dotyczące ochrony środoiska drożyły noe etody ograniczania zanieczyszczeń eitoanych do środoiska: etodę czystej technologii, zasadę podtrzyyanego cyklu papierniczego. Stosując etodę czystej technologii dąży się do eliinoania procesie technologiczny przyczyn postaania zanieczyszczeń. Czynniki poodujące eisję zanieczyszczeń są zastępoane takii, które są bardziej ekologiczne. Stosując etodę czystej technologii zierza się przeyśle papierniczy do ograniczenia lub zaniechania stosoania ateriałó i ziązkó cheicznych, które jako odpady ogłyby spoodoać skażenie środoiska oraz unieożliić ponone ich ykorzystanie i zarócenie do procesu technologicznego. Przykłade takiego postępoania jest eliinoanie farb drukarskich ytarzanych z udziałe etali ciężkich. W latach osiedziesiątych XX ieku proadzono etodę całkoitej odpoiedzialności przeysłu i handlu za cały cykl życia produktó, począ-

szy od fazy projektoania aż do zakończenia ich stosoania i utylizacji jako odpadó. Produkty należy ięc już fazie projektoania przygotoać do utylizacji sposób bezpieczny dla środoiska. Wproadzenie etody podtrzyyanego cyklu papierniczego yaga odiennego niż przypadku stosoania poprzednich etod traktoania procesu technologicznego ytarzania asy celulozoej i papieru. Metoda podtrzyyanego cyklu papierniczego polega na bilansoaniu naturalnego przyrostu zasobó drena, zużyania roślinnych surocó łóknistych oraz aksyalny ograniczeniu zużycia nieodnaialnych pali i surocó. Nadienić należy, że obecnie potrzeby przeysłu na suroce łókniste pokryane są około 40% z przerobu akulatury, a około 30% surocó do ytarzania pierotnej asy celulozoej pochodzi z plantacji roślin o szybki przyroście asy. Pozostała część zapotrzeboania 30% uzupełniana jest drene z yrębu lasó..4. Ekologiczność procesu technologicznego przepisach pranych Integracja Polski z Unią Europejską spoodoała zianę przepisach i yaganiach pranych odnoszących się do ochrony środoiska. Regulacje prane proadzane tej dziedzinie oparte są na Dyrektyie 96/6/EC spraie zintegroanego zapobiegania i kontroli zanieczyszczeń (IPPC Integrated Pollution Prevention and Control). Graniczne artości eisji zanieczyszczeń (liity) zgodnie z tą Dyrektyą inny być ustalane na podstaie najlepszych dostępnych technik. Pod pojęcie najlepsze dostępne techniki (Best Available Techniques BAT) rozuie się zaróno stosoaną technologię ytarzania, jak i etody projektoania, budoy i użytkoania oraz likidacji instalacji. Wszystkie te etapy istnienia instalacji inny cechoać się: ysoki pozioe spraności technicznej oraz efektyności ekonoicznej, poszechnością roziązań pozalających na ich praktyczne zastosoanie, garancją zachoania zdolności do ekonoicznej konkurencji, zachoanie ekologiczności, tak żeby ożna było ustalić dla instalacji nory eisji zanieczyszczeń na ożliie najniższy pozioie zapeniający jednoczesne ograniczenie oddziałyania na środoisko jako całość. Podstaoy suroiec dreno stosoany do ytarzania asy celulozoej jest odnaialny. Jego zużycie ograniczono zaracając część zasobó akulatury do procesu technologicznego ytarzania as łóknistych. Pozostała część akulatury jest składoana lub ykorzystyana do ytarzania energii poprzez spalanie. Makulatura yniku spalania lub naturalnego rozkładu do CO 2 i H 2 O łącza się do cyklu przeian naturalnych. Korę drzeną stanoiącą znaczący ilościoo odpad (około % asy drena) łącza się

2 rónież do cyklu przeian naturalnych poprzez spalenie lub ytorzenie naozu huusoego. Ług poarzelny po zagęszczeniu jest spalany. Stanoi on źródło energii cieplnej zużyanej do ytarzania pary odnej stosoanej następnie do celó technologicznych. Uzyskana ten sposób energia jest potórnie ykorzystana procesie technologiczny. W procesie technologiczny ykorzystyane są potórnie cheikalia zaarte stopie postały ze spalenia ługu poarzelnego, a ze szlau pokaustyzacyjnego po dekarbonizacji otrzyyany jest tlenek apnia, który jest stosoany następnie do kaustyzacji. Zgodnie z założeniai etody podtrzyyanego cyklu papierniczego oraz ytycznyi Dyrektyy 96/6/EC spraie zintegroanego zapobiegania i kontroli zanieczyszczeń ustalono, że arunkie kontynuoania lub podjęcia działalności ziązanej z zanieczyszczenie środoiska będzie uzyskanie przez zakład zintegroanego pozolenia ekologicznego probley ziązane z recyrkulacją asy i energii ytórniach as łóknistych stają się rónie ażne jak zagadnienia ziązane z jakością i ydajnością ytarzanej asy celulozoej. Od października 200 r. proadzono Polsce da zasadnicze akty prane: Prao ochrony środoiska, Ustaę o odpadach, proadzające polski praie rónież instytucję zintegroanych pozoleń ekologicznych. Wśród dziedzin działalności przeysłoej objętych tyi aktai pranyi znajdują się także instalacje przeysłoe ytarzania as celulozoych oraz ytórnie papieru i tektury (o ydajności przekraczającej 20 Mg/24 h). Dyrektya 96/6/EC różnicuje yagania staiane noy zakłado i przedsiębiorsto już istniejący. Zgodnie z przytoczonyi aktai pranyi, zaróno dla noych, jak i istniejących już zakładó proble ekologii procesie technologiczny stanie się zagadnienie o podstaoy znaczeniu..5. Metoda analizy zużycia energii i ochrony środoiska procesie siarczanoego roztarzania drena Dobór etody rozpatryania probleó ziązanych z oszczędnością energii i ochroną środoiska procesie siarczanoego roztarzania drena przeproadzono na podstaie rozpatrzenia ziązkó iędzy pojęciai nauki i etodologii. Terin etodologia opisuje naukę o etodach, czyli śiadoie stosoanych i potarzalnych sposobach działania [57]. Terin nauka rozuiany oże być jako naza penego systeu uzasadnionych tierdzeń lub jako

zespół działań proadzących do ykryania, uzasadniania i systeatyzacji tierdzeń. Z pierszy z przytoczonych określeń nauki iąże się pojoanie etodologii jako nauki o eleentach i strukturze systeó naukoych. Określenie drugie nauki będące jej rozuienie czynnościoy jest ziązane z pojoanie etodologii jako nauki o etodach postępoania badaczego [53,57]. Zależność iędzy etodologią a nauką przedstaiono na rysunku.. 3 Rys... Scheat relacji iędzy terinai nauka a etodologia [57] Ze zględu na stosoaną etodologię nauki dzieli się na foralne i realne. Do pierszych należą szystkie działy ateatyki i logiki. Drugie obejują nauki huanistyczne i przyrodnicze. Nauki foralne opierają się na aksjoatach oraz ogą określać i roziązyać zagadnienia yniku saego rozuoania. Stosoana jest nich

4 tylko dedukcyjna etoda yproadzania tierdzeń pochodnych na podstaie tierdzeń pierotnych [,57]. W naukach realnych ykorzystuje się przede szystki dośiadczenie. Przy staianiu hipotez i forułoaniu pra naukoych dopuszczalne są rónież indukcyjne sposoby nioskoania. Zagadnienia rozpatryane pracy dotyczą nauk realnych, a etodologia analizy tych zagadnień polega na zastosoaniu bilansó asy i ciepła oraz ynikó badań.

5 2. CEL I ZAKRES PRACY Stosunkoo ysoka teperatura delignifikacji drena (70 o C) oraz duża pojeność cieplna łaścia sadu arnika ynikająca ze stosoania dużego odułu cieczy arzelnej (stosunku asy ody do asy składnikó stałych) arunkują bardzo duże zapotrzeboanie na ciepło procesie siarczanoego roztarzania drena. Duże ilości ciepła zużyane są rónież procesie zatężania ługó poarzelnych oraz przy yciu i bieleniu asy celulozoej. W procesie ty istnieją jednak rónież szerokie ożliości ograniczenia zużycia ciepła poprzez: rekuperację ciepła odpadoego, uzyskianie ciepła ze spalania odpadó technologicznych, zaykanie obiegó energii. Uspranianie procesó rekuperacji ciepła oraz ykorzystanie potencjału energetycznego odpadó technologicznych: ługu poarzelnego, kory drzenej, części organicznych oddzielonych od ściekó, stanoią źródła ciepła, którego pełne odzyskanie i ponone ykorzystanie procesie technologiczny ograniczyć oże zapotrzeboanie na ciepło zenętrzne. Oceniając potencjał energetyczny ługu poarzelnego należy stierdzić, że przy ydajności asy celulozoej z drena osiąganej rozpatryany procesie, około 48% organicznych składnikó substancji drena przechodzi do ługu, a zaarta nich energia cheiczna yniku spalania jest zaieniana na ciepło. W ytórniach asy celulozoej siarczanoej niebielonej pracujących etodai ciągłyi (np. Kayr ) i etodą z ypieranie gorącego ługu (RDH) ożna uzyskać nadyżkę ciepła [8]. W pracy postaiono hipotezę, że rónież ytórni asy celulozoej siarczanoej pracującej etodą okresoą konencjonalną i ytarzającej asę niebieloną ożna uzyskać nadyżkę ciepła odzyskanego nad ciepłe zenętrzny potrzebny do proadzenia procesu technologicznego ytarzania asy celulozoej. Mając na zględzie proble ekologii oraz zużycie energii procesie technologiczny ytarzania asy celulozoej z drena pracy rozpatrzono podstaoe operacje procesu ze szczególny uzględnienie tych, które ają duży pły na zużycie energii i zanieczyszczenie środoiska. Porónano bilanse cieplne ytórni asy celulozoej pracujących różnyi etodai i uzasadniono słuszność postaionej hipotezy.

6 3. ANALIZA OBIEGU MASY I ENERGII W CELULOZOWNIACH SIARCZANOWYCH 3.. Obieg asy i energii celulozoni siarczanoej konencjonalnej Na rysunku 3. przedstaiono scheat instalacji celulozoni siarczanoej o układzie konencjonalny z arnikai o działaniu okresoy [23,29]. Ze zględu na zniejszenie nierónoierności poboru pary grzejnej celulozoniach instaluje się kilka, zazyczaj pięć do siediu arnikó. Stopień ubicia zrębkó ynosi od 90 do 220 kg 3, a stosoany oduł cieczy arzelnej a artość 3,5. Kora zostaje oddzielona od drena yniku operacji koroania. Stanoi ona odpad zaierający energię cheiczną, którą yniku spalania ożna zaienić na energię cieplną. Masę kory uzyskaną przy koroaniu drena określa zależność [6,6,5,52]: & = & k (3.) gdzie: & k struień asy kory k & struień asy drena k udział kory drenie. kg h, kg h, Wartość ciepła odpadoego zaartego korze określona jest zależnością: Q& = & Q = & ( ) Q (3.2) k gdzie: k ilgotność kory, & struień asy suchej substancji korze kg, sk Q artość opałoa suchej kory sk k k kj kg. Utylizacja kory przeproadzana jest yniku jej spalania lub przetarzania na naóz huusoy. Do spalania kory stosuje się obecnie kotły z paleniskai fluidyzacyjnyi, których do ytorzenia złoża fluidyzacyjnego stosoany jest gruboziarnisty piasek. Ciepło uzyskane ze spalania kory ykorzystyane jest do ytarzania pary odnej.

7 7 Rys. 3.. Scheat konencjonalnej celulozoni siarczanoej: arnik, 2 podgrzeacz, 3 zbiornik skroplin pary grzejnej, 4 kondensator oparó tórnych, 5 odadniacz, 6 zbiornik yduchoy, 7 cyklon, 8 kondensator natryskoy pierotny, 9 akuulator brudnego kondensatu siarczanoego, 0 kondensator tórny przeponoy, filtr brudnego kondensatu siarczanoego, 2 yiennik ciepła od ługu czarnego

8 Do ubijania zrębkó przy zasypyaniu ich do arnika stosoany jest zazyczaj aparat Svenssona zasilany parą. Para ta skrapla się oddając ciepło zrębko. Zapotrzeboanie pary do ubijania zrębkó określa się z zależności [0]: & a V (3.3) pu = gdzie: a jednostkoe zapotrzeboanie pary do ubijania V pojeność arnika 3. 3 kg, Wartość jednostkoego zapotrzeboania pary do ubijania zrębkó ożna określić z tabeli: V 3 00 50 200 250 a 3 kg 26 26 28 34 Ciepło doproadzane z parą do ubijania zrębkó a artość [0]: Q u = η i i ) (3.4) pu ( pu s gdzie: Q u ciepło doproadzane z parą odną kj/turnus, η spółczynnik uzględniający ypły części pary przez rurę odpoietrzającą, η = 0,7 0,75, pu asa pary kj/turnus, i pu entalpia łaścia pary kj kg, i s entalpia łaścia skroplin kj kg, is = c ts, c ciepło łaście ody kj kg K, t s teperatura skroplin C. Ciepło to pooduje zrost teperatury zrębkó do artości: pu ( i pu c ts ) t z = η + tz (3.5) c gdzie: t z teperatura zrębkó po ubiciu arniku C, t teperatura zrębkó zasypyanych do arnika C, z z asa zrębkó doproadzonych do arnika kg, C z ciepło łaście zrębkó kj kg K. z z

Wartość ciepła łaściego zrębkó zależy od ich ilgotności i oblicza się ją z zależności: c z 9 = c ( ) + c (3.6) d gdzie: c d ciepło łaście drena suchego, c d =,34 kj kg K, c ciepło łaście ody, c = 4,9 kj kg K, ilgotność zrębkó, =, d asa ody zrębkach kg, d asa drena zrębkach kg. Skroplona część doproadzonej do ubijania zrębkó pary odnej pozostaje arniku i ziększa ilgotność zrębkó. W konencjonalnej celulozoni siarczanoej zapotrzeboanie pary odnej do podgrzeania sadu arnika zależy duży stopniu od odułu cieczy arzelnej. Pojeność cieplna łaścia ługu arzelnego ynosząca około 4,2 kj kg K jest znacznie iększa niż pojeność cieplna drena, która a artość ~,34 kj kg K. Wartość zapotrzeboania ciepła do podgrzeania sadu arniku określona jest zależnością [2,22,25,26]: Q = Q + Q + Q + Q c d d s s2 s3 τ c (3.7) Q = Q + Q + Q + Q Q (3.8) τ + Q Q Q Q Q Q Q Q + Q = d + d + + τ + τc + s + s2 s3 (3.9) gdzie: Q c zapotrzeboanie ciepła do podgrzeania arnika kj/turnus, Q zapotrzeboanie ciepła do podgrzeania sadu arnika kj/turnus, Q d ciepło potrzebne do podgrzeania suchego drena kj/turnus, Q d ciepło potrzebne do podgrzeania ody zaartej drenie kj/turnus, Q ciepło potrzebne do podgrzeania skroplin z pary do ubijania zrębkó kj/turnus, Q τ ciepło potrzebne do podgrzeania ługu białego kj/turnus, Q τ ciepło potrzebne do podgrzeania ługu czarnego kj/turnus, c Q straty cieplne odgazoania terpentynoego kj/turnus, s Q straty cieplne yniku nagrzeania korpusu arnika kj/turnus, s2

20 Q s3 straty cieplne spoodoane przenikanie i proienioanie ciepła do otoczenia kj/turnus. Wartość ciepła potrzebnego do podgrzeania suchego drena zaartego zrębkach zasypanych do arnika oraz znajdującej się nich ilgoci jest róna: Q + Q = c + c ) ( t t ) (3.0) d ( d d d k z gdzie: c d =,34 kj/turnus, t teperatura końcoa podgrzeania C. k Ciepło potrzebne do podgrzeania skroplin pary odnej stosoanej do ubijania zrębkó a artość: Q =η c t t ) (3.) pu ( k z Wartość ciepła, które należy doproadzić do ługu białego jest róna: Q = c t t ) (3.2) τ τ τ ( k τ gdzie: asa ługu białego podaana do arnika kj/turnus, gdzie: τ τ c ciepło łaście ługu białego kj kg K, t teperatura ługu białego podaanego do arnika ºC. τ Wartość ciepła doproadzanego do podgrzeania ługu czarnego jest róna: τ c Q τ c = c ( t t c) (3.3) τ c asa ługu czarnego podaana do arnika kj/turnus, c τ c ciepło łaście ługu czarnego kj kg K, t τ c teperatura ługu czarnego podaanego do arnika C. τc Wartość strat cieplnych Q s obliczyć ożna odniesieniu do asy suchego drena zaartego zrębkach ypełniających arnik: Qs = a 2 d (3.4) gdzie: a 2 artość strat cieplnych przypadających na kg suchego drena, a = 230 kj kg s. drena. 2 k τ

Straty cieplne Q s2 dla arnikó siarczanoych, których korpusy ykonane są z plateroanej stali są stosunkoo ałe i często poija się je obliczeniach. Wartość ich obliczyć ożna z zależności: Q s2 = a 3 Q (3.5) gdzie: a = 0,08 kj kg s. drena. 3 Wartość strat cieplnych Q s3 oblicza się przyjując, że dla arnika z izolacją cieplną i pracującego okresoo straty ciepła spoodoane yianą z otoczenie ynoszą od 2,5 do 3% ogólnego zużycia ciepła na turnus pracy: Q s3 = a 4 Q (3.6) gdzie: a4 = 0,025 0,036 kj kg s. drena. Duże znaczenie dla przebiegu roztarzania drena arniku a dobór podgrzeacza cyrkulatora cieczy arzelnej. Popa cyrkulacyjna zainstaloana przy podgrzeaczu inna ieć ydajność zapeniającą yaganą procese technologiczny roztarzania cyrkulację cieczy arzelnej arniku [44,45]. Na podstaie dośiadczeń eksploatacyjnych przyjuje się, że ydatek popy cyrkulacyjnej inien zapeniać 6 0-krotność cyrkulacji cieczy arzelnej znajdującej się arniku ciągu godziny. Czas przepopoyania całej ilości cieczy arzelnej nie poinien przekraczać 0 6 inut [6,44,45]. Rozkład teperatury zdłuż poierzchni yiany ciepła poszechnie stosoany podgrzeaczu ieloruroy typu Schauffelbergera przedstaiono na rysunku 3.2. 2 Rys. 3.2. Rozkład teperatury: para grzejna, 2 ciecz arzelna

22 Przebieg zian teperatury cieczy arzelnej przepłyającej przez podgrzeacz jest zależny od poierzchni yiany ciepła, pojeności cieplnej cieczy oraz czasu. Na podstaie bilansu cieplnego nieskończenie ałego ycinka poierzchni yiany ciepła yróżnionego doolny jej iejscu określić ożna zależność opisującą artość chiloej teperatury cieczy arzelnej. Wartość tę opisano rónanie: W τ t = t ( t t ) e (3.7) p p gdzie: W stała układu arnika yrażona zależnością: kf & t = & W e τ (3.8) q z t teperatura cieczy arzelnej chili τ C, t teperatura pary grzejnej o C, p t teperatura cieczy na początku podgrzeania C, q z pojeność cieplna arnika odniesiona do jego jednostki objętości kj kg K, & τ struień asy cieczy arzelnej przepłyającej przez podgrzeacz kg s, k spółczynnik przenikania ciepła przez ścianki rur podgrzeacza 2 kj K s, F poierzchnia 2. Przy nie dłaiony przepłyie pary do podgrzeacza zużycie ciepła oraz zapotrzeboanie pary odnej przedstaiają zależności: Q τ W τ = W qz ( t p t e dτ (3.9) 0 τ ) W qz W τ & p = ( t p t) e dτ r (3.20) 0 gdzie: r ciepło paroania teperaturze t p kj kg. Zależności te ają charakter rónań ykładniczych. τ 0

Według zależności (3.20) przy uruchaianiu podgrzeacza następuje gałtony pobór pary. W rzeczyistości, yniku dłaienia przepłyu, alejącego przy stopnioy otieraniu zaoru na przeodzie dolotoy oraz ograniczonej przepustoości odadniacza, następuje opóźnienie osiągnięciu aksyalnej przepustoości yiennika i zniejszenie szczytoego poboru pary. Paraetry konstrukcyjne i eksploatacyjne podgrzeacza inny zapeniać osiąganie teperatury końcoej t k czasie przeidziany założeniai procesu technologicznego. Wyianę ciepła podgrzeaczu oraz zależność jej intensyności od paraetró pracy urządzenia przedstaiają podstaoe zależności [44]: gęstość struienia cieplnego q kj s q = π kl t (3.2) spółczynnik przenikania ciepła k l d z ln d = + + d α 2λ d napędoa średnia różnica teperatury s z α 2 23 (3.22) t t t ln t gdzie: k l spółczynnik przenikania ciepła kj s K, d z, d zenętrzna i enętrzna średnica rury, α,α 2 spółczynniki przejoania ciepła od enętrznej poierzchni rury do ługu i od pary do zenętrznej poierzchni rury 2 kj s K, λ przeodność cieplna ateriału ścianki rury kj s K. s 2 t = (3.23) 2 Wartość spółczynnika α 2 przejoania ciepła od pary odnej do zenętrznej poierzchni rury jest iększa od artości spółczynnika α przejoania ciepła od poierzchni enętrznej rury do cieczy arzelnej. Współczynnik α 2 oblicza się z zależności [44,55]: 0,8 0,4 Nu = 0,023 Re Pr (3.24) α d λ d ρ = 0,023 η 0,8 η c τ λ τ p 0,4 (3.25)

24 gdzie: λ τ przeodność cieplna ługu W K, prędkość przepłyu ługu rurach podgrzeacza ρ gęstość ługu kg, η lepkość dynaiczna ługu Pa s, c p ciepło łaście ługu J kg K. 3 s, Na artość α stosunkoo duży pły a średnia prędkość przepłyu cieczy arzelnej rurach podgrzeacza. W podgrzeaczach Schauffelbergera stosoane są prędkości przepłyu =,8 2,4 s [45,46]. 3... Inkrustacja poierzchni yiany ciepła Przy praidłoy składzie ługu arzelnego i praidłoo przebiegający procesie roztarzania siarczanoego nie poinny ystępoać zjaiska zanieczyszczania inkrustai (osade torzący stałą, tardą arstę) poierzchni yiany ciepła po stronie ługu arzelnego [3]. Do przyczyn inkrustacji enętrznej poierzchni rurek podgrzeacza należą: obecność ługu biały ęglanu apnia CaCO 3 spoodoana niedostateczny sklaroanie ługu podczas kaustyzacji, obecność ługu biały krzeianu sodoo-glinoego pochodzącego z procesu kaustyzacji z użycie niełaściego apna palonego CaO zaierającego glin i krze. Pieriastki te ogą rónież przechodzić do ługu zielonego yniku erozji dna pieca topielnego i złego sklaroania tego ługu kaustyzacji, obecność ługu biały siarczanu sodoego Na 2SO 4 spoodoana zbyt niski stopnie redukcji tego ziązku kotle sodoy. Rozpuszczalność tych ziązkó odzie aleje przy zroście teperatury. Krzeian sodoo-glinoy torzy na poierzchni rurek niekrystaliczną, szklistą asę trudną do usunięcia. Węglan apnia ytrąca się z cieczy arzelnej, osadza na poierzchni rurek i przypala się. Inkrustację zaga osadzanie się i przypalanie łókien asy celulozoej oraz ydeł żyicznych zaartych ługu czarny. Postaaniu inkrustacji enętrznych poierzchni rurek sprzyjają: duża chropoatość poierzchni enętrznych rurek, stosoanie rurek ze stali ęgloej, ałe prędkości przepłyu cieczy arzelnej rurkach podgrzeacza, ysoka teperatura enętrznych poierzchni rurek.

Chropoatość enętrznej poierzchni rurek podgrzeacza oże zostać ziększona yniku echanicznego usuania osadu. Rurki ze stali stopoych ają niejszą chropoatość poierzchni niż rurki ze stali ęgloej. Duży pły na pracę podgrzeacza arnika yiera układ odproadzania skroplin. Ze zględu na stosunkoo duże artości struienia asy skroplin odproadzanych z podgrzeaczy arnikó, układach odproadzania skroplin stosoane są odadniacze zbiornikoe lub dyszoe. Odadniacze zbiornikoe yagają instaloania przeodó bocznikoych z zaorai sterującyi przepłye skroplin i pary przeciekoej przy uruchaianiu podgrzeacza. Odadniacze dyszoe ają niej części ruchoych niż zbiornikoe, co zapenia ich iększą niezaodność pracy i trałość. Konstrukcja ich uożliia regulację przepłyu skroplin. Zapenia to ożliość dostosoania paraetró pracy odadniacza do zian ilości przepłyającego czynnika. Układ odproadzania skroplin z zastosoanie odadniacza dyszoego przedstaiono na rysunku 3.3, a na rysunku 3.4 budoę odadniacza dyszoego [29,30,43,44]. 25 Rys. 3.3. Scheat układu odproadzania skroplin z podgrzeacza arnika: arnik, 2 podgrzeacz, 3 odadniacz dyszoy, 4 zbiornik skroplin, 5 zaór zrotny, 6 skraplacz oparó tórnych, 7 ziernik kontrolny Przedstaiony na rysunku 3.4 odadniacz dyszoy a budoę identyczną jak zaór regulacyjny. Rolę dyszy dłaiącej przepły skroplin spełnia szczelina iędzy grzybe a gniazde, którą ożna reguloać. Czynnikie ograniczający przepły pary z podgrzeacza są opary tórne postające yniku rozprężania skroplin przy przepłyie przez szczelinę. Nadienić należy, że odadniacze dyszoe nie yagają odpoietrzania.

26 Rys. 3.4. Przekrój odadniacza dyszoego W układzie odproadzania skroplin następują straty ciśnienia instalacji łączącej podgrzeacz ze zbiornikie skroplin spoodoane: dłaienie przepłyu skroplin odadniaczu, oporai przepłyu iejscoyi i na długości przeodu odproadzającego skropliny, różnicą poziou odadniaczy i zbiornika skroplin, który często uieszczany jest yżej niż odadniacze. Dłaienie odadniaczu, które traktoać należy z peny przybliżenie jako izentalpoe, nie zienia entalpii przepłyających skroplin. Mio ystępoania odadniaczu dyszoy stosunkoo dużego spadku ciśnienia zachoanie stałej artości entalpii pooduje, że ilość oparó tórnych zbiorniku skroplin jest przybliżeniu taka saa jak przypadku stosoania odadniacza zbiornikoego, który ystępują niejsze niż dyszoy straty ciśnienia. Spadek ciśnienia skroplin przy przepłyie przez odadniacz dyszoy oblicza się z zależności: V& p z = 0 MPa k (3.26) v gdzie: V & struień objętości skroplin przepłyających przez odadniacz 3 h, k v spółczynnik przepłyu odadniacza 2 3 0,5 h (bar).

Przykładoo poniżej przedstaiono obliczenia spadku ciśnienia dla odadniacza dyszoego, którego pracę badano [43,44]. Wartość spadku ciśnienia skroplin przepłyających przez odadniacz dyszoy o spółczynniku k = 9,26 h (bar) i struieniu 3 0,5 objętości skroplin V & = 27,4 v 3 h jest róna: 2 27,4 p z = = 2,024 baró = 0, 2024 MPa (3.27) 9,26 p z = 202400 Straty ciśnienia przy przepłyie kondensatu przez przeód łączący odadniacz ze zbiornikie skroplin określa zależność: gdzie: p r Pa 27 2 h 2 l = ρ g h + λ ρ + ζ i ρ (3.28) d 2 2 p r straty ciśnienia przeodzie kondensatu Pa, ρ gęstość kondensatu kg 3, h różnica pozioó iędzy odadniacze i zbiornikie kondensatu, λ spółczynnik oporu przepłyu, l długość rurociągu kondensatu, d średnica enętrzna rurociągu, ζ spółczynnik oporu iejscoego. i Wartość spółczynnika λ oblicza się ze zoru: 0,22 λ = 0,0032 + (3.29) 0,237 Re gdzie: Re liczba Reynoldsa dla skroplin przepłyających rurociągu. Wartość entalpii łaściej i kondensatu dopłyającego do zbiornika jest róna: 2 p r i = i + 0 ρ 2 3 (3.30)

28 gdzie: i entalpia łaścia kondensatu odproadzanego z odadniacza kj kg, opory przepłyu Pa. p r Struień asy oparó tórnych ytarzających się zbiorniku skroplin yniku ich rozprężania a artość: i i2 & o = & p (3.3) r gdzie: & struień asy oparó tórnych kg s, o & struień asy pary dopłyającej do podgrzeacza kg s, p i entalpia łaścia skroplin dopłyających do zbiornika kj kg, i 2 entalpia łaścia skroplin zbiorniku kj kg, r całkoite ciepło paroania skroplin zbiorniku kj kg. Opary tórne postające zbiorniku kondensatu unoszą ze sobą ciepło, którego ilość jest róna: i i Q r gdzie: " i o entalpia łaścia suchej pary nasyconej o teperaturze zbiorniku skroplin kj kg. & 2 " sp = & p io kw (3.32) Opary tórne skraplane są skraplaczu, a uzyskane ciepło ykorzystyane jest do podgrzeania ody chłodzącej skraplacz. Struień asy ody podgrzanej ciepłe odzyskany od oparó tórnych jest róny: Q& sp & = c ( t2 t ) kg s (3.33) gdzie: c ciepło łaście ody kj kg K, t teperatura ody zinej doproadzanej do skraplacza C, t teperatura ody gorącej odpłyającej ze skraplacza C. 2 Wpły paraetró pracy i cech konstrukcyjnych układu odproadzania skroplin na ilość oparó tórnych postających zbiorniku kondensatu zilu-

stroano danyi (tab. 3.) uzyskanyi z badań przepłyu kondensatu arzelni [44,45]. Tabela 3.. Struienie asy oparó tórnych i straty ciśnienia arzelni z sześcioa arnikai z zainstaloanyi dyszoyi odadniaczai Nr arnika Straty ciśnienia na długości l przeodu 2 Straty ciśnienia ynikające z różnicy pozioó h ρ g h Opory iejscoe 2 ξ ρ 2 Struień asy oparó tórnych przy p n = 0, 3 MPa l λ d 2 ρ Pa Pa Pa kg h 4377 34522 2866 257,8 2 3655 44674 2866 257,2 3 2477 46040 262 257,2 4 2757 46040 254 257,6 5 4707 48747 3042 257,6 6 6963 47082 2689 257,6 Na podstaie przeproadzonej analizy paraetró pracy układu podgrzeaczy arnikó stierdzono, że: bardzo ażny dla przebiegu procesu roztarzania drena jest odpoiedni dobór ocy cieplnej i ydajności popy cyrkulacyjnej podgrzeacza, gdyż czynniki te ają decydujący pły na czas podgrzeania sadu arnika i cyrkulację cieczy arzelnej; rozpatryany przykładoo nooczesny arniku o pojeności 225 3 popa cyrkulacyjna przepopouje całą ilość cieczy arzelnej przy odule ynoszący 3,6 ciągu 6,8 inuty, co odpoiada liczbie cyrkulacji cieczy 8,8 ciągu godziny, na yianę ciepła podgrzeaczu bardzo duży pły yiera prędkość przepłyu cieczy arzelnej rurach, która inna ieć ożliie dużą artość; przy przykładoo rozpatryany arniku V = 225 3 podgrzeacz a 24 rur o średnicy enętrznej 3 i prędkości przepłyu cieczy arzelnej = 3,76 s, co przy zalecanej prędkości granicach,8 2,4 s uznać należy za stosunkoo dużą, ze zględu na intensyfikację przenikania ciepła przez ścianki rur podgrzeacza należy zasilać podgrzeacz parą nasyconą, układ odproadzania skroplin z podgrzeacza yiera znaczący pły na pracę podgrzeacza; praidłoe jego działanie zabezpiecza przed stratai ciepła spoodoanyi przepłyai pary oraz przed zaadnianie podgrzeacza zakłócający przebieg yiany ciepła. 29

30 3..2. Ciepło odproadzane procesie roztarzania Podczas roztarzania odproadzane są z arnika opary yniku odgazoania: terpentynoego, końcoego [2,22,24,25,26,27]. Piersze z nich jest przeproadzane dla usunięcia z arnika gazó ydzielających się yniku cheicznych i fizycznych procesó zachodzących podczas roztarzania drena, a artość ciepła Q s odproadzanego przy ty odgazoaniu została określona przy rozpatryaniu strat bilansie cieplny arnika. Masę oparó odproadzanych przy odgazoaniu terpentynoy określa przybliżeniu (z poinięcie asy gazó) zależność: c ( tk t g 2) = c (3.34) r gdzie: g asa oparó odproadzanych z arnika przy odgazoaniu terpentynoy kg/turnus, c asa cieczy arzelnej arniku na początku roztarzania kg/turnus, t k teperatura końcoa roztarzania C, t 2 teperatura arniku po odgazoaniu terpentynoy o C, t 2 = = 50 C, tk + t r ciepło paroania ody teperaturze t 2 śr =. 2 Masa oparó odproadzanych z arnika do zbiornika yduchoego przy odgazoaniu końcoy określona jest zależnością: c ( tk t gk = 3) c (3.35) r gdzie: c asa cieczy arzelnej arniku po odgazoaniu terpentynoy kg/turnus, c = c gk, n oduł cieczy arzelnej, n = 3,6, t 3 teperatura arniku po odgazoaniu końcoy C, t 3 = = 50 C. Wartość ciepła odproadzanego z oparai odgazoania końcoego jest róna:

3 Q gk gk " ogk = i (3.36) gdzie: " i ogk entalpia łaścia oparó suchej pary nasyconej teperaturze t k kj kg. Duże ilości ciepła odproadzane są przy yduchu asy z arnika do zbiornika yduchoego. Przy rozprężaniu zaartości arnika podczas yduchu postają opary, których asa jest róna: c2 ( i3 i) o = " io i i i 3 t 3 (3.37) = c (3.38) = c t (3.39) gdzie: asa oparó postających przy yduchu arnika kg/turnus, o c2 asa cieczy arzelnej arniku po odgazoaniu końcoy kg/turnus, i entalpia cieczy arniku po odgazoaniu końcoy kj kg, 3 i entalpia cieczy zbiorniku yduchoy kj kg, entalpia łaścia suchej pary nasyconej teperaturze t kj kg, teperatura zbiorniku yduchoy C. " i o t Wartość ciepła unoszonego z oparai ytorzonyi przy yduchu oblicza się uzględniając stratę energii postałą yniku transportu asy z arnika do zbiornika yduchoego. Jest ona róna suie strat energii potencjalnej oraz oporó ruchu iejscoych i na długości rurociągu. Straty energii ziązane z transporte asy z arnika do zbiornika yduchoego określa się epirycznie yznaczony spółczynnikie η = 0, 8, przyjując, że straty te ynoszą 20% energii rozprężania oparó [39,40,47]. Ciepło unoszone z oparai ytorzonyi przy yduchu a artość: Q o = c2 η ( i 3 " io i i ) i " o kg/turnus (3.40) Masa przetłaczana z arnika do zbiornika yduchoego unosi z sobą ciepło, którego artość jest określona zależnością:

32 Q = ( cτ t + c t kg/turnus (3.4) c g gk o ) 3 3 gdzie: asa asy celulozoej suchej odproadzanej do zbiornika yduchoego kg/turnus, c τ ciepło łaście ługu czarnego kj kg K, c ciepło łaście suchej asy celulozoej kj kg K. Opary ze zbiornika yduchoego odproadzane są przez separator cyklonoy i skraplacz do akuulatora brudnego kondensatu siarczanoego. Masa ze zbiornika yduchoego jest przepopoyana do działu ycia asy. Unoszone z nią ciepło ulega rozproszeniu. Ług czarny z działu ycia asy jest odproadzany do działu yparek, a po zagęszczeniu zostaje spalony kotle sodoy. Wartość ciepła uzyskanego ze spalania ługu czarnego jest określona zore: Q τk = s Q kg/turnus (3.42) τk gdzie: Q τ ciepło uzyskane ze spalenia ługu czarnego kg/turnus, k τk τ τ k asa ługu czarnego kg/turnus, s τ k stężenie ługu czarnego po zagęszczeniu, Q τ artość opałoa ługu czarnego suchego kj kg K. Ciepło odproadzane z asą celulozoą do działu ycia a artość: Q c = β c t kg/turnus (3.43) gdzie: β skaźnik ydajności asy celulozoej z drena. d Ciepło unoszone z oparai ze zbiornika yduchoego, które postają przy odgazoaniu końcoy i przy yduchu asy z arnika jest przediote rekuperacji. Masa brudnych skroplin przekazyanych do zbiornika brudnego kondensatu jest róna suie asy oparó z odgazoania końcoego i asy oparó postających przy yduchu arnika. Wartość asy brudnych skroplin określa zależność: c ( t t ) k 3 3 bs = c + c2 " r io i i i kg/turnus (3.44)

33 gdzie: asa brudnych skroplin kg/turnus. bs Ciepło odproadzane z oparai ze zbiornika brudnego kondensatu a artość: Q bs = gk i Q = Q + Q (3.45) bs gk o " η ( i3 i) ogk + c2 " io ik " o i kg/turnus (3.46) Masa ody podgrzanej yiennikach ciepła układu rekuperacyjnego brudnyi skroplinai jest róna: sb ck ( t4 t5) = kg/turnus (3.47) c ( t t ) 6 5 Ciepło pobrane przez podgrzeaną odę a artość: Q = c ( t t 5) kj/turnus (3.48) 6 gdzie: c ciepło łaście brudnego kondensatu siarczanoego kj kg K, k t 4 teperatura brudnych skroplin górnej części zbiornika brudnego kondensatu siarczanoego (nad oderatore), t 4 = 90 C, t 5 teperatura brudnych skroplin dolnej części zbiornika brudnego kondensatu siarczanoego, t 5 = 50 C, t 5 teperatura ody podgrzeanej na locie do yiennikó ciepła C, t teperatura ody na ylocie z yiennikó ciepła C. 6 Masa skroplin schłodzonych do teperatury t 5, popoanych z dolnej części zbiornika brudnego kondensatu siarczanoego do kondensatora pierotnego dla skraplania oparó jest róna: ks " bs ( io c t4 ) = kg/turnus (3.49) c ( t t ) 4 Spraność cieplną układu rekuperacji ciepła określa się iloraze artości ciepła odzyskanego do artości ciepła poddaanego rekuperacji. Ciepło odproadzane do układu rekuperacji arzelni jest suą: ciepła odproadzanego z kondensate pary grzejnej, ciepła odproadzanego z oparai z odgazoania terpentynoego, 5

34 ciepła odproadzanego z brudny kondensate siarczanoy do zbiornika (akuulatora) brudnego kondensatu i stanoiącego suę ciepła unoszonego przez opary z odgazoania końcoego i opary z yduchu asy z arnika. Ciepło odzyskane układzie rekuperacji arzelni jest suą: ciepła odzyskanego skraplaczu oparó tórnych ze zbiornika kondensatu pary grzejnej, ciepła odzyskanego układzie chłodnicy oparó z odgazoania terpentynoego, ciepła odzyskanego yiennikach zainstaloanych przy akuulatorze brudnego kondensatu siarczanoego. Ciepło odzyskane układzie rekuperacji pochodzi od oparó postających yniku rozprężania czynnikó technologicznych do poziou ciśnienia atosferycznego. Charakteryzuje się stosunkoo niskii artościai paraetró teperatury (t = 00 C) i ciśnienia. Można je ykorzystać jedynie do podgrzeania ody technologicznej. Wyższą teperaturę około 40 C uzyskuje się od oparó tórnych ze zbiornika kondensatu pary grzejnej. Ze zględu na stosunkoo ałą jego ilość jest rónież ykorzystane do podgrzeania ody technologicznej. Nadienić należy, że celulozoni siarczanoej konencjonalnej ystępuje często nadiar gorącej ody technologicznej [3,37]. W arzelni konencjonalnej po zakończeniu roztarzania ciśnienie arniku yniku odgazoania końcoego obniżone jest do artości około 0,5 MPa. Teperatura sadu zniejsza się do 50 C. Korzystniejszy roziązanie, ze zględu na ograniczenie zapotrzeboania ciepła do roztarzania drena, byłoby ykorzystanie ysokoteperaturoego czynnika ciepła uzyskanego z obniżenia teperatury zaartości arnika do podgrzeania ługu białego popoanego do arnika. Zastąpienie odgazoania końcoego ochładzanie ługu poarzelnego ypełniającego arnik po roztorzeniu drena yagałoby nieielkiej stosunkoo ziany instalacji arzelni. 3.2. Bilans cieplny celulozoni siarczanoej pracującej etodą yporoej yiany ługu 3.2.. Metoda RDH (Rader Displaceent Heating) Wproadzona latach osiedziesiątych ubiegłego ieku etoda roztarzania siarczanoego z yporoą yianą ługu arzelnego uożliia uzyskanie znacznych oszczędności energii do podgrzeania sadu arnika [37,38,39,5]. Zużycie pary odnej do podgrzeania sadu arnika przypadku stosoania RDH jest o 75% niejsze niż przy etodzie konencjonalnej. Oszczędność energii tej etodzie uzyskuje się yniku ykorzystania cie-

pła zaartego ługu arzelny o końcoej teperaturze roztarzania 70 C do podgrzeania ługu białego oraz zrębkó zasypanych do arnika. Scheat układu technologicznego arzelni pracującej etodą roztarzania siarczanoego z yporoą yianą ługu przedstaiono na rysunku 3.5. Po zakończeniu roztarzania gorący ług czarny o teperaturze końcoej t k = 70 C jest ypierany przez popłuczki z ycia asy. Tłoczone są one do dolnego stożka, a ług odproadzany jest z arnika poprzez separator zainstaloany jego kopule. Wyparty z arnika gorący ług czarny odproadzany jest do zbiornika ługu gorącego, gdzie agazynoany jest pod ciśnienie 0,6 MPa i teperaturze 70 C. Wypieranie gorącego ługu kończy się z chilą spadku teperatury ypłyającego ługu do artości 60 C. Ług czarny o obniżonej teperaturze ypłyający przy dalszy ypieraniu go z arnika popłuczkai z ycia asy odproadzany jest do zbiornika ługu ciepłego. Gorący ług czarny podaany jest ze zbiornika ługu gorącego do yiennika ciepła, który ogrzea ług biały tak, aby teperatura ługu białego różniła się o kilka stopni od teperatury czarnego gorącego ługu ypieranego z arnika. Gorący ług biały jest agazynoany pod ciśnienie specjalny zbiorniku. Masa celulozoa z arnika, ze zględu na obniżenie ni ciśnienia przy ypieraniu ługó, jest transportoana do zbiornika yduchoego przy zastosoaniu etody zinego yduchu za poocą sprężonego poietrza, które jest doproadzane do korony arnika. Ziny yduch jest przeproadzany przy stały ciśnieniu poietrza ynoszący 0,5 MPa czasie trzykrotnie krótszy niż przy yduchu konencjonalny. Zużycie energii elektrycznej do sprężania poietrza ynosi około 0 kwh na Mg asy celulozoej. W yniku stosoania do opróżniania arnika zinego yduchu łókna asy celulozoej ulegają niejszy uszkodzenio, niż przy yduchu konencjonalny. Po yduchu asy celulozoej arnik zostaje napełniony zrębkai, a następnie po zaknięciu otoru zasypoego koronie doproadzany jest od dołu arnika ciepły ług czarny. Nadiar ługu czarnego odproadzany jest z porote do zbiornika ciepłego ługu czarnego. Ług ze zbiornika ciepłego ługu czarnego jest odproadzany do zbiornika agazynoego yparek. Po stępny podgrzaniu zrębkó ciepły ługie czarny następuje dalsze ich podgrzeanie gorący ługie czarny, który doproadzany jest do dolnej części arnika. Ług ten ypiera ciepły ług czarny, a nadiar jest odproadzany do zbiornika ciepłego ługu czarnego. Następnie przeode zasilający arnik podaany jest gorący ług biały. Po napełnieniu arnika gorący ługie biały i pozostały z poprzedniego napełnienia gorący ługie czarny proadzona jest krótka cyrkulacja ługu arniku dla zapenienia rónoiernego rozproadzenia cieczy arzelnej. 35

36 36 Rys. 3.5. Scheat arzelni siarczanoej pracującej układzie cyrkulacji ługu arzelnego RDH: arnik, 2 podgrzeacz, 3 zbiornik yduchoy, 4 zbiornik ługu czarnego gorącego, 5 zbiornik ługu czarnego ciepłego, 6 zbiornik gorącego ługu białego, 7 zbiornik ługu czarnego po yciu asy, 8 zbiornik sprężonego poietrza, 9 zbiornik kondensatu pary grzejnej, 0 skraplacz oparó tórnych