JPH01213492A - 黒液の燃焼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、バルプ工場黒液の燃焼に関する。

［従来の技術］ 木材チップをセルロースに加工するクラフトプロセスに
おいて、木材チップをＮａ２Ｓを含有するアルカリ水溶
液中で加圧煮沸し、それによってセルロースを前記木材
チップのその他成分から化学的に分離する。古煮沸液を
黒液と称し、それを通常回収炉たとえば廃熱ボイラーで
化学価値を回収するような方法で処理する必要がある（
カーク・オー７７−ＪＫｉｒｋ　０（ｈａ＋ｅｒ）第１
１巻、第５７５と５７６頁の両頁参照）。

前記黒液を回収炉中に噴霧すると、黒液の中の水が蒸発
し、その黒液は、液滴が炉床に向って降下するに従い直
ぐに「乾燥コしな。前記「乾燥」液滴は、少くとも部分
燃焼されるが、未燃焼残留物は最終的に、パルプ化プロ
セスで可能性を秘めて有用な薬品を含む木炭（炭素）の
層とスメルトとを形成する。前記スメルトにあるわずか
なＮａ、ＳＯ２もそれが前記木炭に接触するとＮａ２　
Ｓに還元され、それによって前記クラフトプロセス冷却
液で必要な薬品を再生する。

多数のクラフト工場において、回収ボイラーにくべるこ
とができる黒液の量は回収ボイラーの容量により、すな
わち、安全に発生させ得る蒸気の最大量によって限定さ
れる。回収ボイラーにくべて蒸気として回収される熱を
発生させ得る黒液の量もまた、上部ペンダント熱伝達面
の付着層生成速度により限定される。前記付着層生成速
度は、前記上部ペンダント熱伝達面上の液適の埋伏速度
によりまた、液滴の物理的状態により測定される。

埋伏速度は液滴の大きさと、主炉空隙におけるガスの上
昇速度との関数である。粒子がそれ自体、−熱伝達面に
付着する確率はその状態による。液滴が半溶融（すなわ
ち粘着性）である時は、比較的冷い熱伝達面と接触する
と直ぐ凝結しようとするものである。上部熱伝達面に入
る粒子の温度が、半溶融状態に必要な温度またはそれ以
上の場合、付着か起こる。ボイラーに黒液を追加して注
入する時、空気を追加して注入する必要があり、放出さ
れるエネルギー量は増加する。付着生成速度は特別の上
昇ガス運動量のため増加し、また熱伝達面に衝撃を与え
る粒子の温度が前記粘着温度以上に上昇する場合、増加
することがある。ボイラーの最高燃焼速度（すなわち容
量）は、蒸気洗浄によるかまたはその他の手段によって
付着が除去できる速度に等しくなる時到達する。

［発明が解決しようとする課題］ 黒液をその中に噴霧した燃焼炉の一次空気の酸素濃縮を
利用すると結果として、火災温度、固体炭素質物質の燃
焼速度、熱分解速度、黒液液滴の乾燥速度、水搬送チュ
ーブに伝達された温度を増加上昇させ、従って上部熱伝
達面に入るガスの温度および付着生成の速度を低下させ
る一方、所定サイズの炉の黒液燃焼に必要な炉の容量を
増加させることになる。

この発明は、一次および二次雨空気流の酸素濃縮を用い
る回収ボイラーの容量増加に関する。

［課題を解決するための手段］ 酸素の一時空気への注入は次掲の三方法で灰化速度を増
大させる： １、木炭燃焼速度は酸素濃縮の一次関数であるので、酸
素濃縮を上昇させて木炭燃焼速度を増大させる。

２、下部炉温度を上昇させて乾燥速度を、またあるいは
木炭の燃焼速度を増大させる。

［作　　用］ 先に注目したように、回収ボイラーで燃焼できる黒液の
量を、上部熱伝達面上の最大許容付着速度により測定す
る。付着速度は、黒液液滴の下降運動量、燃焼ガスの上
昇運動量および液滴の物理的状態に左右される。酸素濃
縮は黒液粒子の運動量の増加を、灰化速度を増大させて
可能にし、従って粒子質量の増加を可能にする。酸素濃
縮はまた、燃焼ガスの運動量を（増分二次空気・増分酸
素濃縮の一次空気に対する比率）として規定された比率
を変化させることで調節する機構を提供する。酸素濃縮
は上部熱伝達面に入るガスの温度を、主炉キャビティに
水を搬送するチューブへの熱伝達速度を下部炉における
断熱火災温度の上昇と上昇熱フラックスによって上昇さ
せることにより低下させる。正味効果は、どのような他
の方法によっても達成され得ない容量増加である。

クラフト工場における回収ボイラーは下記の機能を形成
する： ａ）組織的に結合したナトリウムと硫黄を再加工に適す
る形態に転化する ｂ）Ｎａ２Ｓｏ４をＮａ２Ｓに転化するＣ）有機流出液
（すなわち黒液）をクラフトプロセスから灰化し、そし
て ｄ）灰化プロセスから放出されたエネルギーで蒸気を発
生させる。

黒液を、ボイラーの炉床の上の特定高さで液滴の形で前
記ボイラーに注入する。それは、液滴の降下に従って、
高温燃焼ガスにより乾燥されボイラーに注入された二次
空気で燃焼する。熱分解相が炉底に届きこの帯域に注入
された一次空気と反応した後に残留炭素分が残った。

これらのプロセスに利用できる時間量を固定する。前記
プロセスの完成に必要な時間量は、乾燥、熱分解および
木炭燃焼の速度の関数で、特定液滴のサイズは、灰化に
利用できる時間が必要時間に等しくなるように現われる
。

黒液の質量の流量が増加する時、燃焼空気量は増加する
必要がある。燃焼により発生したガスが上昇する間に、
粒子は降下しようとする。ボイラーの横断面面積は不変
であるので、上昇ガスの速度は、追加黒液の燃焼に必要
な追加量と、黒液質量の流星の増加に起因する横断面面
積の明白な減少のため増大する。追加黒液の燃焼で放出
されたエネルギーは、ガスと、上部熱伝達部に入る液滴
の温度上昇をきたす。

黒液液滴のいくつかは上昇ガスに連行され、上部炉の熱
伝達面に接触する。粒子が溶融または半溶融状態である
場合、それらは熱伝達面（すなわちチューブ）と接触す
るとすぐ凝固して付着を形成する。この付着が形成する
速度は、連行量と煙道ガスの温度とに左右される。

付着を高圧蒸気を熱伝達面に向けることによって除去す
る。付着速度が除去速度よりも大きい場合、生成はボイ
ラーのガス通路を構築し、結局はふさぐことになる。こ
れが起こると、ボイラーを閉鎖し洗浄する必要がある。

従って、回収ボイラーの最大燃焼速度は、付着生成速度
が除去速度と等しくなる数値である。

無機物のクラフトプロセスに適切な形態への転化は温度
に左右されること大である。ボイラーの下部温度が低い
場合、転化効率は低下し、硫黄化合物すなわち汚染物質
と考えられているＳ０２およびＨ２Ｓを発生させ、ボイ
ラーの煙道ガスによって大気に運び込まれる。

粒子連行速度は、粒子の質量とガス速度との関数である
。粒子の質量、それゆえに表面面積は、乾燥または（お
よび）熱分解またはくおよび）木炭燃焼の速度が増大す
る場合、増加できる。

平均ガス速度は燃焼速度の関数であるが、速行速度は、
ボイラー横断面を横切るガスの等速度を保証することに
より減速できる。回収ボイラーの容量を増大させる従来
の試みは、次掲のうちの一つを必要とする； ａ）燃焼に先立って黒液から水の除去 ｂ）熱分解帯域において混合を増やして熱分解を増加し
、ガスの等速度を起こす Ｃ）木炭燃焼速度を、その帯域にさらに空気を供給して
増加する これらの手段のおのおのは、灰化速度を増加し、従って
粒子質量の増加を可能にするが、おのおのは制限のある
適用性のあるものである。

理論的には、ボイラーの容量は、比較的多量の水を黒液
から除去してからそれをボイラーに供給するに従って、
増大することになる。現在利用できる商業装置を用いて
、黒液中にあって最少獲得可能量の水は３０％で、その
濃度で黒液は噴霧には粘質すぎる。この方法だけでは、
これは可能な容量増加が制限することになる。

ガス混合または乱流はレイノルズ数（Ｒｅ＞で説明され
る。熱分解燃焼の速度は前記レイノルズ数の関数であり
、Ｒｅの平方根におおむね比例することかしばしばであ
る。従って、熱分解燃焼速度は増加Ｒｅ数で増加される
。また、燃焼速度（熱フラツクス）の増加のなめ、この
層における温度は上昇する。上昇温度は乾燥時間を減少
させる。最終成果は、大型粒子を燃焼させ、連行の量を
増加させることなしに、その帯域への空気の量を増加さ
せる能力である。

到達できる乱流の量は実際的制限を受は易く、収穫逓減
の法則は、乱流が熱分解燃焼を増加させるので存在する
。これらの束縛はこのアプローチからの利用できる容量
増加を制限する。

木炭層への空気供給は連行量が許容限度を超過するか、
前記層の局部冷却が起こるまで増量してもよい。

この発明の実施にあたって、酸素を回収ボイラーに供給
された一次空気に注入する。結果としてニー残留木炭の
燃焼速度か増加する 一下部炉の温度が上昇する ー落下液滴への熱伝達が増加する 一水搬送チューブへの熱伝達が増加する−乾燥時間が減
少する ー熱分解に利用できる時間が増加する 一木炭層における炭素濃度が低下する 一上部熱伝達面に入るガスの温度が低下するー黒液粒子
の大きさおよび粒子の総質量を、木炭層に達する木炭粒
子の炭素濃度が木炭層の消費速度に調和するレベルに上
昇するまで増加させる 一粒子連行速度を低下させる 一付着生成の速度を低下させる ー付着速度を低下させるので、黒液と燃焼空気の総質量
流量は、付着生成の速度が最初の付着速度と同値になる
まで増量できる プロセスは、増量二次空気のため連行の量が最初の連行
量と等値になるまで継続する。

第２図を参照して、第２図は、黒液の燃焼からの熱を回
収する普通のボイラーの略図であることがわかる。黒液
を、炉床または火格子の上はぼ１５乃至２０フイートの
ボイラー内に噴霧する。一次空気を火格子の上にある残
留炭素分に吹きつけ、二次空気を火格子のすぐ上にある
帯域に吹き込む。

定常状態条件下、黒液液滴は乾燥、熱分解して、最終的
に多孔質残留炭素分となり、火格子に向って落下する。

熱分解生成物と木炭は、それらが二次または（および）
−時空気と接触する時、下部炉の温度が十分高い場合、
反応（燃焼）する。これらの反応が起こる速度は、温度
と酸素濃縮との関数である。放出されたエネルギーは、
耐火物または水を搬送するチューブで裏打ちした炉壁に
輻射する。水は炉の上部層で蒸気に転化し、後続プロセ
スで用いられる。

第２図に示す通り、黒液を炉に装填して燃焼の起こる帯
域の上の層に入るようにする。そこで黒液中の水を、黒
液の燃焼の準備に蒸発させる。その後、液滴は黒液を熱
分解する帯域に降下する。

熱分解生成物を燃焼させて黒液の熱分解後桟る木炭は溶
融層に落下し、このようにして黒液の燃焼で起こる工程
を完了する。

［実　　施　　例］ この発明は、木炭燃焼速度、乾燥速度、熱分解速度およ
び、下部炉に水を搬送するチューブへの熱伝達速度の増
速を探求する。第１図に略図で示しているように、酸素
を第２図に示す先行技術装置に添加して達成される。特
定添加は、（１）黒液の加熱、乾燥および熱分解の後ま
た、黒液から放出される揮発物の燃焼の後、出てくる炭
素質残留物（木炭）の燃焼に用いられる一次空気に、ま
た（２）多孔質木炭残留物の上の層に供給される二次空
気に行われる。また、この発明は、燃焼帯域の酸素濃縮
を増加させ、それによって熱分解燃焼速度と、固体炭素
質残留物の燃焼速度の両速を増速させることを探求する
。

同様の改良は二次空気の酸素濃縮と、一次および二次の
両空気の酸素濃縮の結果として生ずる。

プロセス（すなわち、乾燥、熱分解および木炭燃焼）の
おのおのに必要な時間を、乱流、温度および酸素濃縮と
により主として制御する。

乾燥速度は次の関数を条件とする： ［式中　Ｄｓ＝質量拡散率係数 Ｎｓ−粒子の半径 λ　＝ガスの熱伝導率 Ｐｒ−プラントル数＝１０ Ｒｅ−レイノルズ数 Ｌｖ Ｃｐ＝ガスの比熱 式中　Ｔｏｏ−周囲ガスの温度 Ｔｓ＝表面温度 Ｌｖ−気化熱］ そして関数は； 乾燥速度αＦｌ−２Ｅｌ　　［Ｔ２　’　−Ｔｔ　’　
］［式中、Ｆｌ−２Ｅ２は装置の輻射率、ガス特性およ
び閉鎖容器（炉特性）を説明する。

Ｔ２−燃焼ガス温度 Ｔ、−液滴表面温度］ 実際乾燥速度は、これらの関数の相対重要度により測定
される。酸素濃縮を採用し、燃焼ガス温度を上昇させる
時、第一の方程式は対数的に増加し、第二の方程式は４
乗して増加する。

熱分解には、同様方程式が適用されるが、Ｌｖは熱分解
に必要なエネルギーであることと、Ｂを次のように規定
することを除く： Ｌｖ ［式中、ｌ−化学量論係数 ｍｏ−周囲環境における酸素の濃度 Ｈ−反応熱］ そしてｉｍｏｌ−１の作用はＣｐ（Ｔｏｏ−Ｔｓ）をし
のぐ。

木炭燃焼速度は次の方程式で判断できる：木炭燃焼αＨ
Ｄ　　［０２］ ［式中、）（ｏ＝湯温度よび乱流に関連する対流質量移
転係数（すなわちレイン ルス数） ［０２］−酸素濃度 酸素の一次空気流への添加は、木炭燃焼速度を、最少限
としての線形ベースで増加させる。次掲は、プロセス発
明を用いた時の、１ボンドの増分乾燥液固形分の燃焼の
化学天秤を示す。

第１図　酸素濃縮を用いる１ボンドの Ｂ′古′の　の２８　　′ 乾燥空気−１８１乾燥煙道ガス＝２６８Ｎ、　　＝　　
１．３９　　’　　　　Ｃｏ、　　　＝　　１．２９０
□　＝　　０．４２（空気＞　　Ｎ２　　　　二　１３
９８２０＝　０．０２７　　燃０２＝０ ０、　　＝、　０．６３　　　　　８２０　　　＝　　
０．９１６液体　　　　　　　　　　スメルト Ｎａ　　＝　　０．１８７　　　　　Ｎａ２Ｓ　　　＝
０．０７５Ｓ＝０．０３４　　焼Ｎａ２５ｏ４＝０．０
１．５Ｃ＝　　０．３８８　　　　　Ｎａ２Ｃ○、　＝
０．３１８８＝０．０３９ ０＝０．３５２ Ｈ２０＝　　０．５３８ （注）追加酸素の６０％を元素０□により提供する追加
酸素の４０％を二次空気により提供する黒液燃焼熱　　
　　　　　　　　６，６００黒液のエンタルピー　　　
　　　　　１５０合　　計・　　　　　　　　　６，７
５０世力 乾燥煙道ガスのエンタルピー　　　１７７煙道ガス中の
水分のエンタルピー　１２８黒液中の水の潜熱　　　　
　　　　５５５燃焼からの水の潜熱　　　　　　　３６
０スメルトのエンタルピー　　　　　２３０硫化物形成
熟　　　　　　　　　　４２０放射損失　　　　　　　
　　　　　　　０合　　計　　　　　　　　　１，９７
０蒸気発生熱　　　　　　　　　４．８７０

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による黒液燃焼用の炉の略図、第２
図は、従来技術の同一の炉の略図である。 自発 平成元年２月２２日 平成１年特許願第７５５４号 ２、発明の名称 黒液の燃焼 ３、補正をする者 事件との関係　　出願人 住所　アメリカ合衆国−１８１０５，ペンシルバニア州
、アレンタウン（番地なし） 名称　エアー、プロダクツ、アンド、ケミカルス、イン
コーホレーテッド ４−代理人 東京都中央区銀座３−３−１２　　原産ビル（５６１−
０２７４，５３８６）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）黒液を炉の中へ噴霧し、その炉の中でそれを連続
   して乾燥、熱分解して固体炭素質残留物に転化する回収
   ボイラー装置での黒液の燃焼において、最高５％酸素を
   一次空気に固体炭素質残留物に向けて添加することから
   成り、それによつて断熱火災温度が上昇し、固体炭素質
   材料の燃焼速度が増加し、熱分解速度が増加し、炉の下
   部温度が上昇し、黒液液滴の乾燥速度が増加し、水を搬
   送するチューブに伝達する熱が上昇し、上部熱伝達面に
   入るガスの温度が低下し、付着生成速度が減少し、そし
   て黒液を燃焼する炉の容量を、一次空気に酸素を添加す
   ることなしに運転される同一炉と比較して増加させるこ
   とを特徴とする黒液の燃焼。
2. （２）前記最高５％の酸素を炭素質材料の層の上に導入
   された二次空気にも添加することを特徴とする請求項１
   による黒液の燃焼。