Черный щелок
В промышленной химии черный щелок является побочным продуктом крафт-процесса при переработке балансовой древесины в бумажную массу с удалением лигнина , гемицеллюлозы и других экстрактивных веществ из древесины для высвобождения целлюлозных волокон. [1]
Эквивалентный материал в сульфитном процессе обычно называют коричневым щелоком, но также используются термины «красный щелок», «густой щелок» и «сульфитный щелок». [ нужна ссылка ]
Состав
[ редактировать ]При производстве одной тонны целлюлозы получается около 7 тонн черного щелока. [2]
Черный щелок представляет собой водный раствор остатков лигнина, гемицеллюлозы и неорганических химикатов, используемых в процессе. Черный щелок содержит 15% твердых веществ по массе, из которых две трети составляют органические химикаты, а остальная часть – неорганические. [3] Обычно органика в черном щелоке составляет 40-45% мыла. [4] 35-45% лигнина и 10-15% другой органики.
Органическое вещество черного щелока состоит из растворимых в воде/щелочи компонентов разложения древесины. [1] Лигнин разлагается на более короткие фрагменты с содержанием серы 1-2% и натрия около 6% от сухого вещества. Целлюлоза и гемицеллюлоза разлагаются до мыл алифатических карбоновых кислот и фрагментов гемицеллюлозы. Экстрактивные вещества дают талловое мыло и живичный скипидар . Мыло содержит около 20% натрия. [ нужна ссылка ]
Остаточные компоненты лигнина в настоящее время служат для гидролитической или пиролитической конверсии или только для сжигания. Альтернативно гемицеллюлозы могут подвергаться процессам ферментации. [ нужна ссылка ]
История
[ редактировать ]Первые заводы по производству крафт-целлюлозы сбрасывали черный щелок в водотоки. Черный щелок довольно токсичен для водных организмов и придает воде очень темный карамельный цвет. Изобретение котла-утилизатора Г.Х. Томлинсоном в начале 1930-х годов стало важной вехой в развитии крафт-процесса. [5]
К 1990-м годам большинство крафт-заводов потребляли почти весь побочный продукт черного щелока. [6] и очистку остатка на биологических очистных сооружениях, снижая воздействие сточных вод на окружающую среду ниже уровня научной значимости, за исключением, возможно, очень небольших потоков. [ нужна ссылка ] Даже в 21 веке оставалось несколько небольших крафт-заводов (производящих не более нескольких тонн целлюлозы в день), которые выпускали весь черный щелок. Однако они быстро исчезают. Некоторые крафт-фабрики, особенно в Северной Америке, [ нужна ссылка ] в 2007 году по-прежнему было извлечено менее 98% черного щелока, что может вызвать некоторое загрязнение окружающей среды, даже при биологической очистке. Общая тенденция заключается в том, что такие устаревшие предприятия модернизируются или закрываются. [ нужна ссылка ]
Использование
[ редактировать ]Черный щелок содержит более половины энергетической ценности древесины, подаваемой в варочный котел завода по производству крафт-целлюлозы. [7] Обычно его концентрируют до 65–80% с помощью многокорпусных испарителей и сжигают в котле-утилизаторе для производства энергии и регенерации химикатов для приготовления пищи. Вязкость увеличивается с увеличением концентрации. При содержании твердых веществ около 50–55% достигается предел растворимости соли. [8] Талловое масло является важным побочным продуктом, выделяемым из черного щелока при обезжиривании перед его подачей в испарители или после первой ступени испарителя.
Источник энергии для целлюлозного завода
[ редактировать ]Целлюлозные заводы используют черный щелок в качестве источника энергии по крайней мере с 1930-х годов. [6] Большинство заводов по производству крафт-целлюлозы используют котлы-утилизаторы для регенерации и сжигания большей части производимого черного щелока, генерации пара и регенерации кулинарных химикатов ( гидроксид натрия и сульфид натрия, используемые для отделения лигнина от целлюлозных волокон, необходимых для производства бумаги). Это помогло бумажным фабрикам сократить проблемы с выбросами воды, сократить использование химикатов за счет рекуперации и повторного использования и стать почти энергетически самодостаточными, производя в среднем 66 процентов собственных потребностей в электроэнергии на месте. [ нужна ссылка ]
В Соединенных Штатах бумажные компании потребляют почти весь черный щелок, который они производят с 1990-х годов. [6] В результате лесная промышленность стала одним из ведущих производителей углеродно-нейтральной возобновляемой энергии в США, производя около 28,5 тераватт-часов электроэнергии в год. [ нужна ссылка ]
Использование в качестве сырья для биотоплива
[ редактировать ]Газификация
[ редактировать ]
Были разработаны новые методы переработки отходов в энергию для восстановления и использования энергии черного щелока. [ нужна ссылка ] Использование газификации черного щелока потенциально может обеспечить более высокую общую энергоэффективность по сравнению с традиционным котлом-утилизатором, одновременно производя богатый энергией синтез-газ из щелока. [ нужна ссылка ] Сингаз может быть сожжен в газовой турбины комбинированном цикле для производства электроэнергии (обычно называемый BLGCC для комбинированного цикла газификации черного щелока; аналогично IGCC ) или преобразован с помощью каталитических процессов в химические вещества или топливо, такие как метанол , диметиловый эфир (DME) или FT. дизельное топливо (обычно называемое BLGMF для газификации черного щелока для моторного топлива). Данная технология газификации в настоящее время [ когда? ] находится в эксплуатации на пилотной установке мощностью 3 МВт на предприятии Chemrec [9] испытательный центр в Питео , Швеция . Этап синтеза ДМЭ будет добавлен в 2011 году. [ нужно обновить ] в проекте «BioDME», поддержанном Европейской комиссии ( Седьмой рамочной программой FP7) и Шведским энергетическим агентством . [10]
Было показано, что используемый для производства биотоплива маршрут газификации черного щелока имеет очень высокую эффективность преобразования и потенциал снижения выбросов парниковых газов . [11]
Гидротермальное сжижение
[ редактировать ]Гидротермальное сжижение подходит для переработки черного щелока в современное биотопливо благодаря способности этого процесса обрабатывать большое количество влаги. [12]
Добыча лигнина
[ редактировать ]Там, где мощность котла-утилизатора ограничена и является узким местом на целлюлозном заводе , лигнин на комбинате из черного щелока можно экстрагировать, затем экспортировать или использовать в качестве топлива в печи для обжига извести . Это часто заменяет ископаемое топливо биотопливом. [ нужна ссылка ]
Налоговый кредит США 2007–2010 гг.
[ редактировать ]Налоговая льгота, созданная Конгрессом США в 2005 году в рамках законопроекта о шоссейных дорогах 2005 года для поощрения и поддержки использования жидкого альтернативного топлива, полученного из углеводородов в транспортном секторе, была расширена в 2007 году и теперь включает немобильное использование жидкого альтернативного топлива, полученного из углеводородов. биомасса. [ нужна ссылка ] Это изменение означало, что, помимо рыбоперерабатывающих предприятий, предприятий по переработке животных и упаковщиков мяса, право на налоговую льготу получили производители крафт-целлюлозы в результате производства и использования ими черного щелока для производства энергии. Для одной крупной компании ( International Paper ) это может составить целых 3,7 миллиарда долларов прибыли. [6] [13] В мае 2009 года Weyerhaeuser объявила, что также добивается налоговой льготы. [14] Некоторые аналитики бумажной промышленности [15] раскритиковала право бумажной промышленности на налоговую льготу на альтернативную топливную смесь на том основании, что она увеличила использование ископаемого топлива, но промышленность возразила, что добавление ископаемого топлива было требованием закона и что, несмотря на это, это не привело к чистому увеличению в использовании ископаемого топлива, поскольку компании просто заменяли существующее ископаемое топливо, которое они уже смешали с черным щелоком (природным газом), одним из трех видов топлива, определенных законом: бензином, керосином или дизельным топливом. Кредит на биотопливо для черного щелока закончился 1 января 2010 года. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Стениус, Пер, изд. (2000). «2». Химия лесных продуктов . Наука и технология изготовления бумаги. Том. 3. Хельсинки, Финляндия: Fapet OY. стр. 62–78. ISBN 978-952-5216-03-5 .
- ^ Бирманн, Кристофер Дж. (1993). Основы целлюлозно-бумажного производства . Academic Press, Inc. Сан-Диего: ISBN 978-0-12-097360-6 .
- ^ Справочник по целлюлозно-бумажному производству SE, 1996 г., ISBN 0-12-097362-6
- ^ Спейт, Джеймс Г. (01 января 2019 г.). «Модернизация путем газификации» . Добыча и переработка тяжелой нефти . Профессиональное издательство Персидского залива. стр. 559–614. дои : 10.1016/b978-0-12-813025-4.00013-1 . ISBN 978-0-12-813025-4 . S2CID 186809412 .
- ^ Э. Сьёстрем (1993). Химия древесины: основы и приложения . Академическая пресса .
- ^ Jump up to: а б с д Мафсон, Стивен (28 марта 2009 г.). «Производители бумаги глубоко копают законопроект о шоссе, чтобы получить золото» . Вашингтон Пост . Проверено 3 июня 2009 г.
- ^ Центр бумажного бизнеса и отраслевых исследований (CPBIS)
- ^ Эмпи, Х. Джефф (2009). Основы процесса восстановления ремесла . США: Таппи Пресс. п. 7. ISBN 978-1-59510-186-0 .
- ^ Chemrec. Архивировано 11 августа 2010 г. на Wayback Machine . веб-сайте
- ^ проекта BioDME Веб-сайт
- ^ Комплексный анализ будущего автомобильного топлива и силовых агрегатов в европейском контексте. Архивировано 4 марта 2011 г. на Wayback Machine. EUCAR/Concawe/JRC Отчет Well-to-Wheels, версия 2c, март 2007 г.
- ^ Косинкова Яна; Рамирес, Джером; Нгуен, Дженни; Ристовски, Зоран; Браун, Ричард; Лин, Кэрол; Рейни, Томас (10 сентября 2015 г.). «Гидротермическое сжижение жома с использованием этанола и черного щелока в качестве растворителей» (PDF) . Биотопливо, биопродукты и биопереработка . 9 (6): 630–638. дои : 10.1002/bbb.1578 . S2CID 85838194 .
- ^ «International Paper предоставляет обновленную информацию об альтернативных топливных кредитах» . Международная бумага . 24 марта 2009. Архивировано из оригинала 14 июля 2012 года . Проверено 3 июня 2009 г.
- ^ «Вейерхойзер говорит, что подал заявку на получение квалификации в качестве смесителя альтернативного топлива» . CNBC . 5 мая 2009 года . Проверено 3 июня 2009 г. [ мертвая ссылка ]
- ^ Дизикес, Синтия (24 апреля 2009 г.). «Фирмы, производящие бумагу, получают миллиарды за счет налоговых льгот, но должны ли они это делать?» . МиннПост . Проверено 19 сентября 2021 г.
